<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Archiving and Interchange DTD v1.1 20151215//EN"  "JATS-archivearticle1.dtd"><article article-type="research-article" dtd-version="1.1" xmlns:ali="http://www.niso.org/schemas/ali/1.0/" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="nlm-ta">elife</journal-id><journal-id journal-id-type="publisher-id">eLife</journal-id><journal-title-group><journal-title>eLife</journal-title></journal-title-group><issn pub-type="epub" publication-format="electronic">2050-084X</issn><publisher><publisher-name>eLife Sciences Publications, Ltd</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="publisher-id">64740</article-id><article-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.64740</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="display-channel"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Evolutionary Biology</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Physics of Living Systems</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Global epistasis emerges from a generic model of a complex trait</article-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes" id="author-186691"><name><surname>Reddy</surname><given-names>Gautam</given-names></name><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-1276-9613</contrib-id><email>gautam_nallamala@fas.harvard.edu</email><xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref><xref ref-type="other" rid="fund1"/><xref ref-type="fn" rid="con1"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes" id="author-40694"><name><surname>Desai</surname><given-names>Michael M</given-names></name><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">http://orcid.org/0000-0002-9581-1150</contrib-id><email>mdesai@oeb.harvard.edu</email><xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref><xref ref-type="aff" rid="aff2">2</xref><xref ref-type="aff" rid="aff3">3</xref><xref ref-type="aff" rid="aff4">4</xref><xref ref-type="other" rid="fund2"/><xref ref-type="other" rid="fund3"/><xref ref-type="other" rid="fund4"/><xref ref-type="fn" rid="con2"/><xref ref-type="fn" rid="conf1"/></contrib><aff id="aff1"><label>1</label><institution>NSF-Simons Center for Mathematical and Statistical Analysis of Biology, Harvard University</institution><addr-line><named-content content-type="city">Cambridge</named-content></addr-line><country>United States</country></aff><aff id="aff2"><label>2</label><institution>Department of Organismic and Evolutionary Biology, Harvard University</institution><addr-line><named-content content-type="city">Cambridge</named-content></addr-line><country>United States</country></aff><aff id="aff3"><label>3</label><institution>Quantitative Biology Initiative, Harvard University</institution><addr-line><named-content content-type="city">Cambridge</named-content></addr-line><country>United States</country></aff><aff id="aff4"><label>4</label><institution>Department of Physics, Harvard University</institution><addr-line><named-content content-type="city">Cambridge</named-content></addr-line><country>United States</country></aff></contrib-group><contrib-group content-type="section"><contrib contrib-type="editor"><name><surname>Barkai</surname><given-names>Naama</given-names></name><role>Reviewing Editor</role><aff><institution>Weizmann Institute of Science</institution><country>Israel</country></aff></contrib><contrib contrib-type="senior_editor"><name><surname>Barkai</surname><given-names>Naama</given-names></name><role>Senior Editor</role><aff><institution>Weizmann Institute of Science</institution><country>Israel</country></aff></contrib></contrib-group><pub-date date-type="publication" publication-format="electronic"><day>29</day><month>03</month><year>2021</year></pub-date><pub-date pub-type="collection"><year>2021</year></pub-date><volume>10</volume><elocation-id>e64740</elocation-id><history><date date-type="received" iso-8601-date="2020-11-09"><day>09</day><month>11</month><year>2020</year></date><date date-type="accepted" iso-8601-date="2021-03-26"><day>26</day><month>03</month><year>2021</year></date></history><permissions><copyright-statement>© 2021, Reddy and Desai</copyright-statement><copyright-year>2021</copyright-year><copyright-holder>Reddy and Desai</copyright-holder><ali:free_to_read/><license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><ali:license_ref>http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ali:license_ref><license-p>This article is distributed under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution License</ext-link>, which permits unrestricted use and redistribution provided that the original author and source are credited.</license-p></license></permissions><self-uri content-type="pdf" xlink:href="elife-64740-v2.pdf"/><abstract><p>Epistasis between mutations can make adaptation contingent on evolutionary history. Yet despite widespread ‘microscopic’ epistasis between the mutations involved, microbial evolution experiments show consistent patterns of fitness increase between replicate lines. Recent work shows that this consistency is driven in part by global patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis, which make mutations systematically less beneficial (or more deleterious) on fitter genetic backgrounds. However, the origin of this ‘global’ epistasis remains unknown. Here, we show that diminishing-returns and increasing-costs epistasis emerge generically as a consequence of pervasive microscopic epistasis. Our model predicts a specific quantitative relationship between the magnitude of global epistasis and the stochastic effects of microscopic epistasis, which we confirm by reanalyzing existing data. We further show that the distribution of fitness effects takes on a universal form when epistasis is widespread and introduce a novel fitness landscape model to show how phenotypic evolution can be repeatable despite sequence-level stochasticity.</p></abstract><kwd-group kwd-group-type="author-keywords"><kwd>epistasis</kwd><kwd>complex trait</kwd><kwd>predictability</kwd></kwd-group><kwd-group kwd-group-type="research-organism"><title>Research organism</title><kwd>Other</kwd></kwd-group><funding-group><award-group id="fund1"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000893</institution-id><institution>Simons Foundation</institution></institution-wrap></funding-source><award-id>NSF-Simons Center at Harvard #1764269</award-id><principal-award-recipient><name><surname>Reddy</surname><given-names>Gautam</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><award-group id="fund2"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000893</institution-id><institution>Simons Foundation</institution></institution-wrap></funding-source><award-id>376196</award-id><principal-award-recipient><name><surname>Desai</surname><given-names>Michael M</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><award-group id="fund3"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000001</institution-id><institution>National Science Foundation</institution></institution-wrap></funding-source><award-id>PHY-1914916</award-id><principal-award-recipient><name><surname>Desai</surname><given-names>Michael M</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><award-group id="fund4"><funding-source><institution-wrap><institution-id institution-id-type="FundRef">http://dx.doi.org/10.13039/100000002</institution-id><institution>National Institutes of Health</institution></institution-wrap></funding-source><award-id>R01GM104239</award-id><principal-award-recipient><name><surname>Desai</surname><given-names>Michael M</given-names></name></principal-award-recipient></award-group><funding-statement>The funders had no role in study design, data collection and interpretation, or the decision to submit the work for publication.</funding-statement></funding-group><custom-meta-group><custom-meta specific-use="meta-only"><meta-name>Author impact statement</meta-name><meta-value>Predictable patterns of fitness evolution observed in microbial evolution experiments can emerge generically as a consequence of widespread epistatic interactions between mutations.</meta-value></custom-meta></custom-meta-group></article-meta></front><body><sec id="s1" sec-type="intro"><title>Introduction</title><p>Despite the idiosyncrasies of epistasis, a number of laboratory microbial evolution experiments show systematic patterns of convergent phenotypic evolution and declining adaptability. A striking example is provided by the <italic>Escherichia coli</italic> long-term evolution experiment (LTEE) (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1a</xref>): 12 replicate populations that adapt in parallel show remarkably similar trajectories of fitness increase over time (<xref ref-type="bibr" rid="bib51">Wiser et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib26">Lenski et al., 2015</xref>), despite stochasticity in the identity of fixed mutations and the underlying dynamics of molecular evolution (<xref ref-type="bibr" rid="bib48">Tenaillon et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib12">Good et al., 2017</xref>). Similar consistent patterns of fitness evolution characterized by declining adaptability over time have also been observed in parallel yeast populations evolved from different genetic backgrounds and initial fitnesses (<xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kryazhimskiy et al., 2014</xref>; <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1b</xref>) and in other organisms (<xref ref-type="bibr" rid="bib9">Elena and Lenski, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib37">Perfeito et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib52">Wünsche et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib42">Sanjuán et al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib6">Couce and Tenaillon, 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib19">Jerison et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib43">Schenk et al., 2013</xref>). Declining adaptability is thought to arise from diminishing-returns epistasis (<xref ref-type="bibr" rid="bib23">Khan et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib5">Chou et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kryazhimskiy et al., 2014</xref>), where a global coupling induced by epistatic interactions systematically reduces the effect size of individual beneficial mutations on fitter backgrounds. Diminishing-returns manifests as a striking linear dependence of the fitness effect of a mutation on background fitness (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1c</xref>). While diminishing-returns can be rationalized as the saturation of a trait close to a fitness peak, recent work shows a similar dependence on background fitness even for deleterious mutations, which become more costly on higher fitness backgrounds (<xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref>). This suggests that fitter backgrounds are also less robust to deleterious effects (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1d</xref>), a phenomenon that has been termed increasing-costs epistasis. The origin of the global coupling that results in these effects is unknown.</p><fig id="fig1" position="float"><label>Figure 1.</label><caption><title>Declining adaptability and global epistasis in microbial evolution experiments.</title><p>(<bold>a</bold>) Convergent phenotypic evolution in the <italic>E. coli</italic> long-term evolution experiment: the fitness relative to the common ancestor of 11 independently adapting populations over 50,000 generations is shown (data from <xref ref-type="bibr" rid="bib51">Wiser et al., 2013</xref>). The 12th population, Ara + 6, has limited data and is not shown. (<bold>b</bold>) Yeast strains with lower initial fitness adapt faster (data from <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kryazhimskiy et al., 2014</xref>). The fitness gain after 250 (green) and 500 (orange) generations of 640 independently adapting populations with 64 different founders and 10 replicates of each founder. Mean and SE are computed over replicates. (<bold>c</bold>) Diminishing returns of specific beneficial mutations on fitter backgrounds for three knocked out genes (green, orange, and purple) (data from <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kryazhimskiy et al., 2014</xref>). Control in pink. (<bold>d</bold>) Increasing costs of specific deleterious mutations on fitter backgrounds (data from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref>). The fitness effect relative to the least fit background for the mean over 91 mutations (in red) and 5 of the 91 mutations is shown. Linear fits for the five specific mutations and the mean using dashed and solid lines respectively are shown.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-64740-fig1-v2.tif"/></fig><p>Put together, these empirical observations suggest that the contributions to the fitness effect, <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub>, of a mutation at a locus <inline-formula><mml:math id="inf1"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> in a given genetic background can be written as<disp-formula id="equ1"><label>(1)</label><mml:math id="m1"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>additive</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>genotype</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf2"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>additive</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the additive effect of the mutation, <inline-formula><mml:math id="inf3"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>genotype</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is its genotype-dependent epistatic contribution independent of the background fitness <inline-formula><mml:math id="inf4"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> (i.e., idiosyncratic epistasis), and <italic>c</italic><sub><italic>i</italic></sub> quantifies the magnitude of global epistasis for locus <inline-formula><mml:math id="inf5"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="equ1">Equation (1)</xref> reflects the observation that the strength of global epistasis depends on the specific mutation and applies independently of whether its additive effect is deleterious (increasing-costs) or beneficial (diminishing-returns). Over the course of adaptation in a fixed environment, global epistatic feedback on mutational effects can lead to a long-term decrease in adaptability. If this feedback dominates, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ1">Equation (1)</xref> suggests that the dependence of the fitness effect on evolutionary history is summarized entirely by the current fitness, and therefore results in predictable fitness evolution.</p><p>Here, we show that diminishing-returns and increasing-costs epistasis are a simple consequence of widespread epistasis (WE). This is consistent with recent work (<xref ref-type="bibr" rid="bib27">Lyons et al., 2020</xref>) that proposes a similar argument to explain these phenomena. However, while the core idea is similar, we present here an alternative framework based on the Fourier analysis of fitness landscapes, which leads to new insights and quantitative predictions. In particular, our framework leads to novel predictions for the relationship between the magnitude of global epistasis and the stochastic effects of microscopic epistasis, which we confirm by reanalyzing existing data. Extending this framework, we further quantify how the distribution of fitness effects (DFEs) shifts as the organism adapts and how the fitness effect of a mutation depends on the sequence of mutations that have fixed over the course of adaptation (i.e., historical contingency). While specific historical relationships depend on the genetic architecture, we introduce a novel fitness landscape model with an intuitive architecture for which the entire history is summarized by the current fitness. Using this fitness landscape model, we investigate the long-term dynamics of adaptation and elucidate the architectural features that lead to predictable fitness evolution.</p></sec><sec id="s2" sec-type="results"><title>Results</title><sec id="s2-1"><title>Diminishing-returns and increasing-costs epistasis</title><p>We begin by examining the most general way to express the relationship between genotype and fitness (i.e., to describe the fitness landscape). A map between a quantitative trait (such as fitness), <inline-formula><mml:math id="inf6"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the underlying genotype can be expressed as a sum of combinations of <inline-formula><mml:math id="inf7"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> biallelic loci <inline-formula><mml:math id="inf8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that take on values <inline-formula><mml:math id="inf9"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="bib16">Hordijk and Stadler, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib30">Neher and Shraiman, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib49">Weinberger, 1991</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib47">Szendro et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib50">Weinreich et al., 2013</xref>):<disp-formula id="equ2"><label>(2)</label><mml:math id="m2"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf10"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a constant that sets the overall scale of fitness. The symmetric convention <inline-formula><mml:math id="inf11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the two allelic variants is less often used than <inline-formula><mml:math id="inf12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but it is an equivalent formulation, which we employ here because it will prove more convenient for our purposes (see <xref ref-type="bibr" rid="bib38">Poelwijk et al., 2016</xref> for a discussion). The coefficients of terms linear in <italic>x</italic><sub><italic>i</italic></sub> represent the additive contribution of each locus to the fitness (i.e., its fitness effect averaged across genotypes at all other loci), the higher-order terms quantify epistatic interactions of all orders, and <inline-formula><mml:math id="inf13"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the average fitness across all possible genotypes. Importantly, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref> makes apparent the idiosyncrasies induced by epistasis: a mutation at a locus with <inline-formula><mml:math id="inf14"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> interacting partners has an effect composed of <inline-formula><mml:math id="inf15"><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> contributions.</p><p>To explicitly compute the fitness effect of a mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf16"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> on a particular genetic background, we simply flip the sign of <italic>x</italic><sub><italic>i</italic></sub>, keeping all other <italic>x</italic><sub><italic>j</italic></sub> constant, and write down the difference in fitness that results. This fitness effect will generally involve a sum over a large number of terms involving the <inline-formula><mml:math id="inf17"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref>. While this may suggest that an analysis of fitness effects via <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref> is intractable, the analysis in fact simplifies considerably if the locus has a significant number of independent interactions that contribute to the fitness (i.e., provided that the number of independent, nonzero epistatic terms associated to the locus is large). In this case, we show that the fitness effects of individual mutations decrease linearly with background fitness and the fluctuations around this linear trend are normally distributed. In other words, widespread independent idiosyncratic epistatic interactions lead to the observed patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis.</p><p>We present a derivation of this result in the SI. Here, we explain the key intuition using a heuristic argument. The argument is based on a simple idea: for a well-adapted organism (<inline-formula><mml:math id="inf18"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) with complex epistatic interactions, a mutation is more likely to disrupt rather than enhance fitness. To be quantitative, consider a highly simplified scenario where some number <inline-formula><mml:math id="inf19"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the <inline-formula><mml:math id="inf20"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref> are ±1 at random and the others are 0. In this case, the fitness of a given genotype is a sum of <inline-formula><mml:math id="inf21"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf22"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> interactions that contribute positively and negatively to the trait, respectively, each with unit magnitude, so that <inline-formula><mml:math id="inf23"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. When positive and negative interactions balance, the organism is in a ‘neutrally adapted’ state (<inline-formula><mml:math id="inf24"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). By selecting for positive interactions, adaptation generates a bias so that <inline-formula><mml:math id="inf25"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf26"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If locus <inline-formula><mml:math id="inf27"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> involved in a fraction <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> of all of <inline-formula><mml:math id="inf28"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> interactions is mutated, the effect of the mutation, on average, is to flip the sign of <inline-formula><mml:math id="inf29"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> positive interactions and <inline-formula><mml:math id="inf30"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> negative interactions. The new fitness is then <inline-formula><mml:math id="inf31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus <inline-formula><mml:math id="inf32"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The negative linear relation between the background fitness, <inline-formula><mml:math id="inf33"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the fitness effect of the mutation, <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub>, is immediately apparent and emerges as a systematic trend simply due to a sampling bias towards positive interactions. Of course, while this relation is true on average, it is possible that locus <inline-formula><mml:math id="inf34"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> affects more or less positive interactions due to sampling fluctuations. Provided only that <inline-formula><mml:math id="inf35"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large and the interactions are independent, these fluctuations are approximately Gaussian with magnitude <inline-formula><mml:math id="inf36"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p><p>This basic argument holds beyond the simple model with unit interactions. In the more general case, if the mutation is directed from <inline-formula><mml:math id="inf37"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we show in the SI that its fitness effect, <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub>, on a background of fitness <inline-formula><mml:math id="inf38"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be written as<disp-formula id="equ3"><label>(3)</label><mml:math id="m3"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>additive</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>−</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⏟</mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>genotype</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where,<disp-formula id="equ4"><label>(4)</label><mml:math id="m4"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and <inline-formula><mml:math id="inf39"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a genotype and locus-dependent term that is distributed across genotypes with mean zero and variance expressed in terms of the <inline-formula><mml:math id="inf40"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref> (see SI for details). In the following equation and similar ones henceforth, a summation such as <inline-formula><mml:math id="inf41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is meant to denote a sum over pairs <inline-formula><mml:math id="inf42"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where each pair appears only once and no pair that includes index <inline-formula><mml:math id="inf43"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> appears. Symmetry of the <inline-formula><mml:math id="inf44"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s w.r.t. interchanged indices is also assumed (e.g., <inline-formula><mml:math id="inf45"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The numerator of <inline-formula><mml:math id="inf46"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ4">Equation (4)</xref> is proportional to the covariance of fitness effects and background fitness, and the denominator is the variance of background fitness across genotypes. A similar equation for the case <inline-formula><mml:math id="inf47"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be derived. The choice of <inline-formula><mml:math id="inf48"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="inf49"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is simply a matter of convention. If the convention is reversed, the coefficients of odd-order in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref>, that is, <inline-formula><mml:math id="inf50"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, should also switch signs. It can be easily checked that reversing the signs of these quantities in the expression for <inline-formula><mml:math id="inf51"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> above leads to the expression for <inline-formula><mml:math id="inf52"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="inf53"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Note that in general <inline-formula><mml:math id="inf54"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is not guaranteed to be positive and <inline-formula><mml:math id="inf55"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is arbitrary and determined by the genotype-fitness map. However, consistent patterns emerge when locus <inline-formula><mml:math id="inf56"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a large number of independent, nonzero epistatic terms and the additive effects <inline-formula><mml:math id="inf57"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of its interacting partners are not much larger than the epistatic terms (defined further below), which we call the WE limit. In the WE limit, <inline-formula><mml:math id="inf58"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is normally distributed across genotypes with variance proportional to <inline-formula><mml:math id="inf59"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This follows from the same reasoning as in our heuristic argument with unit interactions above (see SI for details). In addition, <inline-formula><mml:math id="inf60"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is typically positive, giving rise to a negative linear trend (i.e., diminishing-returns and increasing-costs). We can see this by taking the third- and higher-order terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ4">Equation (4)</xref> to be zero, in which case <inline-formula><mml:math id="inf61"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is positive if <inline-formula><mml:math id="inf62"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This will typically be true in the WE limit because we expect <inline-formula><mml:math id="inf63"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to scale with the number of interacting partners <inline-formula><mml:math id="inf64"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while each term in <inline-formula><mml:math id="inf65"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be positive or negative and thus the sum scales as <inline-formula><mml:math id="inf66"><mml:msqrt><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> if the terms are independent. Thus when locus <inline-formula><mml:math id="inf67"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a large number of interacting partners, <inline-formula><mml:math id="inf68"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is typically positive unless the magnitude of the additive terms (<inline-formula><mml:math id="inf69"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is much larger than the magnitude of the epistatic terms (<inline-formula><mml:math id="inf70"><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula>), <inline-formula><mml:math id="inf71"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This argument is easily extended to the case when the third- and higher-order terms are nonzero (see SI); the upshot is that the bias towards <inline-formula><mml:math id="inf72"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> positive gets stronger with increasing epistasis.</p><p>The conditions for the WE limit are more likely to hold when the number of loci, <inline-formula><mml:math id="inf73"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that affect the trait is large. Therefore, we expect to generically observe patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis for a complex trait involving many loci. Importantly, whether we observe a negative linear trend does not depend on the magnitude of a locus’ epistatic interactions relative to its own additive effect, but rather relative to the additive effects of its interacting partners. If we are not in the WE limit, and instead the additive effects dominate (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf74"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>l</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), then <xref ref-type="disp-formula" rid="equ4">Equation (4)</xref> suggests that the slope of the linear trend can be either positive or negative. We will show further below that recent experimental data demonstrates that both scenarios can be relevant: some loci have <inline-formula><mml:math id="inf75"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>l</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> while others have <inline-formula><mml:math id="inf76"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>l</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with the former creating a bias towards the observed negative linear trends that characterize diminishing-returns and increasing-costs epistasis.</p><p>We note that <xref ref-type="disp-formula" rid="equ3">Equation (3)</xref> immediately leads to testable quantitative predictions: in the WE limit, the distribution of the residuals, <inline-formula><mml:math id="inf77"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, obtained from regressing <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="inf78"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is entirely determined by the slope of the regression, <inline-formula><mml:math id="inf79"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Specifically, we predict that these residuals (the deviations of individual genotype fitnesses from the overall diminishing-returns or increasing-costs trend) should be normally distributed with a variance proportional to <inline-formula><mml:math id="inf80"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, this condition only applies if diminishing-returns arises from the WE limit. It does not hold if epistasis is negligible, if locus <inline-formula><mml:math id="inf81"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> interacts significantly with only a few other dominant loci, or if the epistatic terms are interrelated (e.g., when global epistasis arises from a nonlinearity applied to an unobserved additive trait; <xref ref-type="bibr" rid="bib46">Starr and Thornton, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib41">Sailer and Harms, 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib36">Otwinowski et al., 2018</xref>). The latter case may still lead to a negative linear trend, but the statistics of the residuals will differ from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ3">Equation (3)</xref> (see SI for a discussion).</p><p>It is convenient to subsequently work with the symmetric version of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ3">Equation (3)</xref>, where the fitness effects of both <inline-formula><mml:math id="inf82"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and its reversion <inline-formula><mml:math id="inf83"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (whose fitness effect is negative of the former) are included in the regression against their respective background fitness. In this case, the additive term is averaged out, and we show (SI) that in the WE limit,<disp-formula id="equ5"><label>(5)</label><mml:math id="m5"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf84"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> depends on the genetic background and the locus, and is normally distributed with zero mean and variance <inline-formula><mml:math id="inf85"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and<disp-formula id="equ6"><label>(6)</label><mml:math id="m6"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Here, <inline-formula><mml:math id="inf86"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the total genetic variance due to all loci (i.e., the variance in fitness across all possible genotypes) while <inline-formula><mml:math id="inf87"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the contribution to the total variance by the <inline-formula><mml:math id="inf88"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s involving locus <inline-formula><mml:math id="inf89"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We therefore refer to <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> as the <italic>variance fraction</italic> (VF) of locus <inline-formula><mml:math id="inf90"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We show further below that for certain fitness landscapes <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> can also be interpreted as the fraction of pathways affected by a locus. For these reasons, we focus on <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub>, which is half of the negative slope, rather than the slope. Note that the <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub>’s do not sum to one unless there is no epistasis (with epistasis, <inline-formula><mml:math id="inf91"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, reflecting the fact that the variance contributed by different loci overlap). While the directed mutation case discussed previously is the relevant one when presenting experimental data (e.g., <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1c, d</xref>), it is conceptually simpler to work with the symmetric case. These two cases coincide and <inline-formula><mml:math id="inf92"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the WE limit if the additive effect of a locus is small (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf93"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p><p>Our results show that the VF <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> plays an important role. It determines the slope of the negative relationship between the fitness effect and background fitness. At the same time, it determines the magnitude of the idiosyncratic fluctuations away from this trend. We also note that this slope can be used to experimentally probe the contribution of a locus to the trait (i.e., its VF) taking into account <italic>all</italic> orders of epistasis, which circumvents the estimation of the individual <inline-formula><mml:math id="inf94"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref>. The theory additionally predicts that the slope obtained by regressing the sum of fitness effects of two mutations at loci <inline-formula><mml:math id="inf95"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> against background fitness is proportional to <inline-formula><mml:math id="inf96"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf97"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> quantifies the magnitude of epistatic interactions of all orders between <inline-formula><mml:math id="inf98"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf99"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> (SI).</p><p>Importantly, while the fitness effects of individual mutations (and hence the DFEs) may change over the course of evolution due to epistasis, the distribution of variance fractions (DVF) across loci, <inline-formula><mml:math id="inf100"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is an invariant measure of the range of effect sizes available to the organism during adaptation. As we will see, this means that the DVF plays an important role in determining long-term adaptability.</p></sec><sec id="s2-2"><title>Numerical results and experimental tests</title><p>To illustrate our analytical results, we first demonstrate that the effects described above are reproduced in numerical simulations. To do so, we numerically generated a genotype-phenotype map of the form in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref>, with <inline-formula><mml:math id="inf101"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> loci and an exponential DVF, <inline-formula><mml:math id="inf102"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf103"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.02</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Materials and methods). This DVF is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2a</xref>. Note that <inline-formula><mml:math id="inf104"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to an epistatic landscape; <inline-formula><mml:math id="inf105"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> chosen here thus corresponds to a model within the WE limit (note that <inline-formula><mml:math id="inf106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this parameter range). Using this numerical landscape, we measured the fitness effect of mutations at 30 loci across 640 background genotypes with a range of fitnesses (<xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2b</xref>). Our results recapitulate the predicted linear dependence on background fitness (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1c, d</xref>), with a negative slope equal to twice the VF predicted from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>. We further simulated the evolution of randomly generated genotypes similar to the experimental procedure used in <xref ref-type="bibr" rid="bib24">Kryazhimskiy et al., 2014</xref> (<xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2c</xref>), finding that our results reproduce the patterns of declining adaptability observed in experiments (<xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1b</xref>). Note that ∼10 mutations are fixed during this simulated evolution; declining adaptability here is not due to a finite-sites effect.</p><fig id="fig2" position="float"><label>Figure 2.</label><caption><title>Global epistasis is recapitulated in a generic model of a complex trait and leads to testable predictions.</title><p>(<bold>a</bold>) The distribution of variance fractions over 400 loci for the simulated genotype-phenotype map. (<bold>b</bold>) The predicted linear relationship between fitness effect (relative to the fitness effect on the least fit background) and background fitness for the mean over 30 randomly chosen loci (red, solid line) and five loci (dashed lines in colors) is recapitulated. The slope of the linear fit for each locus is proportional to its variance fraction, <inline-formula><mml:math id="inf107"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> (slope = <inline-formula><mml:math id="inf108"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Mean and SE are over backgrounds of approximately equal fitness. See Materials and methods for more details. (<bold>c</bold>) The mean fitness gain after 25 (green) and 50 (orange) generations of simulated evolution of 768 independently adapting populations with 64 unique founders and 12 replicates each. Means and SEs are computed over the 12 replicates. Error bars are s.e.m. (<bold>d</bold>) The relationship predicted from theory between the residual variance from the linear fit for each locus and its slope is confirmed in simulations. (<bold>e</bold>) The mean fitness effect for single mutants at 30 loci and double mutants from all possible pairs of the 30 loci. The slope for the double mutants is predicted to be roughly twice that of single mutants. (<bold>f</bold>) The estimated variance fraction of a double mutant with mutations at two loci is predicted from theory and confirmed in simulations to be approximately the sum of the variance fractions for single mutations at the two loci. Sub-additivity is due to epistasis between the two loci. See Materials and methods for more details.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-64740-fig2-v2.tif"/></fig><p>As described previously, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> implies a proportional relationship between the magnitude of global epistasis (quantified by the slope of the relationship between the fitness effect of a mutation and the background fitness) and the magnitude of microscopic epistasis (quantified by the residual variance around this linear trend); see also <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3a</xref>. We verify this relationship in simulations (<xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2d</xref>). We predict that the slope obtained by regressing the sum of fitness effects of two mutations at loci <inline-formula><mml:math id="inf109"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> against background fitness is proportional to <inline-formula><mml:math id="inf110"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We further assume that <inline-formula><mml:math id="inf111"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (specifically, <inline-formula><mml:math id="inf112"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the genotype-phenotype map used for numerics). Since <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub> are typically small for a complex trait, we expect near-additivity <inline-formula><mml:math id="inf113"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and that any deviations are sub-additive, which is confirmed in simulations (<xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2e, f</xref>).</p><fig id="fig3" position="float"><label>Figure 3.</label><caption><title>Experimental observations from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref> are consistent with theoretical predictions.</title><p>(<bold>a</bold>) The fitness effect of one of the 91 mutations from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref> plotted against background fitness. (<bold>b</bold>) The distribution of the measured <inline-formula><mml:math id="inf114"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (negative one-half of the slope from <bold>a</bold>) and variance fractions <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> for the 91 insertion mutations. (<bold>c, d</bold>) <inline-formula><mml:math id="inf115"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> plotted against the additivity of interacting loci (AoIL) and the additivity of the mutated locus (see main text for definitions). The histograms are shown below the plots. The sign of the trend depends on the AoIL rather than the additivity of the mutated locus. (<bold>e</bold>) The measured variance of the residuals against the prediction <inline-formula><mml:math id="inf116"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, shown here for the 91 mutations. The yellow circles correspond to the loci with AoIL <italic>lt</italic><sub>0.5</sub>. The best-fit line (yellow dashed line) to these loci has <inline-formula><mml:math id="inf117"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.50</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="inf118"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.42</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all points). (<bold>f</bold>) The shape of the distribution of residuals pooled from all 91 mutations aligns well with the prediction from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ3">Equation (3)</xref>. The variances of the two distributions are matched. Inset: same plot in log-linear scale. See Materials and methods for more details.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-64740-fig3-v2.tif"/></fig><p>While testing the latter prediction on double mutants requires further experiments, we can immediately test the relationship between the slope and the distribution of residuals from existing experimental data. To do so, we reanalyzed the data from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref>, which measured the fitness effect of 91 insertion mutants on about 145 backgrounds. These background strains were obtained by crossing two yeast strains that differed by <inline-formula><mml:math id="inf119"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>000</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> single-nucleotide polymorphisms (SNPs). Of these 40,000 loci, <inline-formula><mml:math id="inf120"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have been identified as causal loci with currently available mapping resolution (<xref ref-type="bibr" rid="bib4">Bloom et al., 2015</xref>). In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>, we show the estimated <inline-formula><mml:math id="inf121"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (negative one-half of the slope of the best-fit line) and the VF <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> for each of the 91 mutations. These mutations were selected after screening for nonzero effect, and thus the DVF is biased upwards. The mean VF is <inline-formula><mml:math id="inf122"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0.06</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The wide range of <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> observed in the data implies that the epistatic influence of loci varies greatly across loci, and we will show further below that this is crucial for maintaining a supply of beneficial mutations even when the organism is well-adapted to the environment.</p><p>Our theoretical results imply that we expect the linear relationship between background fitness and fitness effect to be negative if the additive effects of a locus’ interacting partners are not much larger than the epistatic terms. Specifically, we define the additivity of interacting loci (AoIL) for locus <inline-formula><mml:math id="inf123"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> as<disp-formula id="equ7"><label>(7)</label><mml:math id="m7"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AoIL</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which we show can be estimated from data (Materials and methods and SI). If the AoIL is less than half, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ4">Equation (4)</xref> implies that the linear trend is guaranteed to be negative. If instead the AoIL is greater than 0.5, the trend can be either positive or negative. The data shows a range of AoIL between 0 and 1 across loci. As predicted by our theory, we find that the loci with AoIL <italic>lt</italic><sub>0.5</sub> always show negative trends and the ones with AoIL <italic>gt</italic><sub>0.5</sub> show both negative and positive trends (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref>). Importantly, the sign of the trend is determined by the AoIL and not by the additivity of the mutated locus, which we define as<disp-formula id="equ8"><label>(8)</label><mml:math id="m8"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Additivity</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The additivity across loci also has a wide range. However, small additivity does not necessarily imply a negative trend (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3d</xref>).</p><p>We next used the data from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref> to analyze the relationship between the slope of the linear trend and the residual variance around this trend. We find that the experimental data confirms our theoretical prediction that the residual variance is proportional to <inline-formula><mml:math id="inf124"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) if the AoIL is small (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3e</xref>, <inline-formula><mml:math id="inf125"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for loci with AoIL ¡ 0.5 and <inline-formula><mml:math id="inf126"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.42</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all loci). The Gaussian-distributed term in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ3">Equation (3)</xref> also predicts the shape of the distribution of the residuals given the VFs, which aligns well with the empirical distribution of the residuals (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3f</xref>).</p><p>Together, these theoretical results and our reanalysis of experimental data show that linear patterns of global diminishing-returns and increasing-costs epistasis are a simple consequence of widespread epistatic interactions. The DVFs observed in data (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3b</xref>) further imply that the epistatic influence of different loci on fitness can vary across a wide range. In what follows, we show that these two observations can be put together to make general predictions about the DFEes, and consequently the long-term dynamics of adaptation. The key ingredient that enables this analysis (including <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>) is that in the WE limit fitness and fitness effects are jointly normal (with respect to a uniform distribution over all possible genotypes), which allows us to quantify complex dependencies between these variables in terms of pairwise covariances.</p></sec><sec id="s2-3"><title>The distribution of fitness effects</title><p>Long-term adaptation is determined by the DFEs of possible mutations and the stochastic dynamical processes that lead to fixation. While <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> represents the distribution of the fitness effects of a specific mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf127"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> over <italic>all</italic> genotypes in the population that have fitness <inline-formula><mml:math id="inf128"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we are instead interested in the DFE, where fitness effects are measured for all the mutations arising in the background of a <italic>particular</italic> genotype that has fitness <inline-formula><mml:math id="inf129"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For now we ignore the influence of evolutionary history on the DFE; we expand on that complication in the following section.</p><p>Examining the DFE over <inline-formula><mml:math id="inf130"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci for a randomly chosen genotype of fitness <inline-formula><mml:math id="inf131"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be thought of as sampling the fitness effects <inline-formula><mml:math id="inf132"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the conditional joint distribution <inline-formula><mml:math id="inf133"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which generally depends on epistasis. If the number of independent, nonzero epistatic terms is large, then <inline-formula><mml:math id="inf134"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a multivariate normal distribution defined by the means and covariances of the <inline-formula><mml:math id="inf135"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> variables <inline-formula><mml:math id="inf136"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which in turn can be computed in terms of the <inline-formula><mml:math id="inf137"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref>. In particular, the conditional means and covariances are <inline-formula><mml:math id="inf138"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Mean</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf139"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf140"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the epistatic VF between loci <inline-formula><mml:math id="inf141"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf142"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf143"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This implies that the conditional correlation between fitness effects is <inline-formula><mml:math id="inf144"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>The DFE simplifies considerably if we make certain additional assumptions on the magnitude of epistatic interactions. If we assume the typical VF <inline-formula><mml:math id="inf145"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is small (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf146"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and also that <inline-formula><mml:math id="inf147"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf148"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then correlations are <inline-formula><mml:math id="inf149"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus negligible. Then, in a particular sample <inline-formula><mml:math id="inf150"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can think of each <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> as being drawn independently with mean <inline-formula><mml:math id="inf151"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and variance <inline-formula><mml:math id="inf152"><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To compute the DFE, <inline-formula><mml:math id="inf153"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we first sample the VF from the DVF, <inline-formula><mml:math id="inf154"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and then sample a Gaussian random variable with the aforementioned mean and variance. This leads to the DFE<disp-formula id="equ9"><label>(9)</label><mml:math id="m9"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf155"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the standard normal pdf. Curiously, the correlations between <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub>’s vanish when <inline-formula><mml:math id="inf156"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in which case the above equation is exact and the DFE is determined entirely by the DVF. Further below, we introduce a specific fitness landscape model for which this relation does hold. Diminishing-returns is naturally incorporated in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ9">Equation (9)</xref>: the mean of <inline-formula><mml:math id="inf157"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf158"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, the DFE shifts progressively towards deleterious values with increasing fitness.</p></sec><sec id="s2-4"><title>Historical contingency in adaptive trajectories</title><p>A key unresolved question is the extent to which evolutionary history influences the DFE and the dynamics of adaptation (<xref ref-type="bibr" rid="bib1">Agarwala and Fisher, 2019</xref>). That is, what does our theory say about historical contingency?</p><p>Suppose a clonal population of fitness <italic>y</italic><sub>0</sub> accumulates <inline-formula><mml:math id="inf159"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> successive mutations resulting in fitnesses <inline-formula><mml:math id="inf160"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By virtue of arising on the same ancestral background, the fitness gain of a new mutation, <inline-formula><mml:math id="inf161"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is in general correlated with the full sequence of past fitnesses and the identity of the <inline-formula><mml:math id="inf162"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> mutations through its epistatic interactions with them. Based on these correlations, we use well-known properties of conditional normal distributions (<xref ref-type="bibr" rid="bib8">Eaton, 1983</xref>) to write<disp-formula id="equ10"><label>(10)</label><mml:math id="m10"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the weights <inline-formula><mml:math id="inf163"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> depend on the VF (<inline-formula><mml:math id="inf164"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>) of the new mutation and its epistatic interactions with past mutations. Here, <inline-formula><mml:math id="inf165"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the normally distributed residual that depends on the initial genotype and the weights (SI). <xref ref-type="disp-formula" rid="equ10">Equation (10)</xref> is a generalization to a sequence of mutations of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>, which we can think of as the special case where <inline-formula><mml:math id="inf166"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>To gain intuition, it is useful to first analyze <xref ref-type="disp-formula" rid="equ10">Equation (10)</xref> when <inline-formula><mml:math id="inf167"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (i.e., to compute the effect of a second mutation conditional on the first). In this case, we show in the SI that<disp-formula id="equ11"><label>(11)</label><mml:math id="m11"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf168"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the fitness effect due to mutation 1. The first term on the right-hand side is the dependence on the fitness of the immediate ancestor, similar to the corresponding term in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>. The second term quantifies the influence of epistasis between loci 1 and 2 on <italic>s</italic><sub>2</sub>. When <inline-formula><mml:math id="inf169"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, dependence on <italic>s</italic><sub>1</sub> vanishes entirely and <italic>s</italic><sub>2</sub> depends only on <italic>y</italic><sub>1</sub>. In contrast, if loci 1 and 2 do not interact, <inline-formula><mml:math id="inf170"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <italic>s</italic><sub>2</sub> is, on average, larger <italic>if</italic> the mutation at 1 is beneficial compared to when it is deleterious. This has an intuitive interpretation: diminishing-returns applies to the overall fitness and the mechanism through which it acts is epistasis. However, if mutations 1 and 2 do not interact, then the increase in fitness corresponding to mutation 1 does not actually reduce the effect of mutation 2 (as expected by diminishing-returns) so the expected effect of mutation 2 is larger. This analysis suggests that during adaptation, since selection favors mutations with stronger fitness effects on the current background, a mutation that interacts less with previous mutations is more likely to be selected.</p><p>To identify the conditions under which history plays a minimal role, we would like to examine when <inline-formula><mml:math id="inf171"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> depends only on the current fitness, <italic>y</italic><sub><italic>k</italic></sub>, and is independent of both the past fitnesses and idiosyncratic epistasis. If this were true, then <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> would apply for new mutations that arise through the course of a single evolutionary path (i.e., the fitness effect of a new mutation is ‘memoryless’ and depends only on its VF and the current fitness). Surprisingly, such a condition does exist. We show that this occurs when the magnitude of epistatic interactions between the new mutation and the <inline-formula><mml:math id="inf172"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> previous mutations, <inline-formula><mml:math id="inf173"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, satisfies a specific relation: <inline-formula><mml:math id="inf174"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf175"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the combined VF of the <inline-formula><mml:math id="inf176"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> previous mutations (SI). In general, this condition is not satisfied, implying that there will be historical contingency that can be analyzed using the framework above. Remarkably, it turns out that a fitness landscape model for which the condition is satisfied does exist and arises from certain intuitive assumptions on the organization of biological pathways and cellular processes. This fitness landscape model additionally serves as an example of a landscape where global epistasis can vary substantially across loci. We describe this model below.</p></sec><sec id="s2-5"><title>The connectedness model</title><p>We introduce the ‘connectedness’ model (CN model, for short). In this model, each locus <inline-formula><mml:math id="inf177"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is involved in a fraction <inline-formula><mml:math id="inf178"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of independent ‘pathways,’ where each pathway has epistatic interactions between all loci involved in that pathway (<xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4a</xref>). The probability of an epistatic interaction between three loci (<inline-formula><mml:math id="inf179"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is then proportional to <inline-formula><mml:math id="inf180"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since this is the probability that these loci are involved in the same pathway. When the number of loci <inline-formula><mml:math id="inf181"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large, we show that in this model <inline-formula><mml:math id="inf182"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and when <inline-formula><mml:math id="inf183"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is small, <inline-formula><mml:math id="inf184"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf185"><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the average over all loci (SI). The CN model therefore has a specific interpretation: the outsized contribution to the fitness from certain loci (large <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub>) is due to their involvement in many different complex pathways (large <inline-formula><mml:math id="inf186"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) and not from an unusually large perturbative effect on a few pathways. The distribution, <inline-formula><mml:math id="inf187"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, across loci determines the DVF.</p><fig id="fig4" position="float"><label>Figure 4.</label><caption><title>The distribution of fitness effect (DFE) and long-term adaptation dynamics predicted for the connectedness model.</title><p>(<bold>a</bold>) Schematic of the connectedness (CN) model, where each locus is associated with a fraction µ of pathways that contribute to the organism’s fitness. (<bold>b</bold>) An alternative model with modular organization, where sets of loci interact only within the pathways specific to a single module. (<bold>c</bold>) The DFE predicted from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equation (14)</xref> matches those obtained from simulated evolution of genotypes from the CN model. 128 randomly drawn genotypes (400 loci) with initial fitness <inline-formula><mml:math id="inf188"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> close to zero are evolved to <inline-formula><mml:math id="inf189"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf190"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the DFE is measured across loci and genotypes. We chose <inline-formula><mml:math id="inf191"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf192"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="inf193"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents adaptedness. Insets: same plots in log-linear scale. Note that the number of beneficial mutations acquired during the simulated evolution (<inline-formula><mml:math id="inf194"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula>10-20) is much less than the total number of loci (400). (<bold>d</bold>) For a neutrally adapted organism, the theory predicts quick adaptation to a well-adapted state beyond which the adaptation dynamics are independent of the specific details of the genotype-fitness map. Shown here is the mean adaptation curve predicted under strong-selection-weak-mutation (SSWM) assumptions, which leads to a power-law growth of fitness with exponent 1/5 in the well-adapted regime (inset). (<bold>e</bold>) The number of fixed beneficial mutations under SSWM, which grows as a power-law with exponent 2/5 in the well-adapted regime (inset). The shaded region is the 95 confidence interval around the mean for (<bold>c</bold>) and (<bold>d</bold>). See Materials and methods and SI for more details.</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-64740-fig4-v2.tif"/></fig><p>Statistical fitness landscapes such as the NK model and the Rough Mt. Fuji model (<xref ref-type="bibr" rid="bib31">Neidhart et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1">Agarwala and Fisher, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib22">Kauffman and Weinberger, 1989</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib45">Stadler and Happel, 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib2">Aita et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib3">Altenberg, 1997</xref>) are related to the CN model. Specifically, the CN model is a subclass of the broader class of generalized NK models (see <xref ref-type="bibr" rid="bib18">Hwang et al., 2018</xref> for a review). However, often-studied fitness landscape models have one important difference that distinguishes them and gives qualitatively different dynamics of adaptation (shown further below): in contrast to the CN model, classical fitness landscapes are typically ‘regular.’ That is, the VF of every locus is assumed to be the same (except the star neighborhood model, which has a bimodal DVF; <xref ref-type="bibr" rid="bib18">Hwang et al., 2018</xref>).</p><p>The CN model is equivalent to a Gaussian fitness landscape with exponentially decaying correlations (SI). The CN model has tunable ruggedness, where the landscape transitions from additivity to maximal epistasis with increasing <inline-formula><mml:math id="inf195"><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Maximal epistasis corresponds to <inline-formula><mml:math id="inf196"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (and hence <inline-formula><mml:math id="inf197"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for all <inline-formula><mml:math id="inf198"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>, this implies that the new fitness after a mutation occurs is independent of the previous fitness, consistent with the expectation from a House-of-Cards (HoC) model (<xref ref-type="bibr" rid="bib21">Kauffman and Levin, 1987</xref>) (where genotypes have uncorrelated fitness). Regular fitness landscape models with exponentially decaying correlations have memoryless fitness effects under the restrictive assumption that every locus is equivalent (<xref ref-type="bibr" rid="bib1">Agarwala and Fisher, 2019</xref>). We show that the dynamics of adaptation of the more general CN model are also memoryless, that is, the condition detailed in the previous section holds true (SI). Yet, as we show below, the predicted dynamics for the CN model are very different to those from a regular fitness landscape model.</p><p>We emphasize that the well-connectedness assumed for the CN model is not a requirement for <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> to hold. However, how diminishing-returns influences the long-term dynamics of adaptation depends on the specific genetic architecture and the corresponding fitness landscape. Consider, for example, an alternative model of genetic networks organized in a modular structure (<xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4b</xref>). In this model, each locus is part of a single module and interacts epistatically with other loci in that module to determine the fitness of that module; overall fitness is then determined as a function of the module fitnesses. In this case, the variance contributed by a locus is due to its additive contribution and from epistasis between loci restricted to its module. While the argument for diminishing-returns still applies to the fitness as a whole, it follows from the same argument that diminishing-returns should also apply to each module separately. Consequently, the dynamics of adaptation for the modular model are different from the CN model. For simplicity, we analyze the dynamics of adaptation for the CN model and postpone a discussion of how the dynamics differ for different models to subsequent work.</p></sec><sec id="s2-6"><title>The dynamics of adaptation</title><p>We now examine the DFE that follows from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> and what that implies for long-term adaptation under the conditions for memoryless fitness effects. We henceforth assume a large number of loci with sparse epistasis (though the total number of nonzero epistatic terms is still large). This implies that <inline-formula><mml:math id="inf199"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf200"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf201"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; for simplicity, we also assume strong-selection-weak-mutation (SSWM) selection dynamics and <inline-formula><mml:math id="inf202"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf203"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> are fitness effects and <inline-formula><mml:math id="inf204"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the population size. Under these conditions, a mutation sweeps and fixes in a population before another one arises. The probability of fixation of a beneficial mutation, <inline-formula><mml:math id="inf205"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is then proportional to its fitness effect (<xref ref-type="bibr" rid="bib15">Haldane, 1927</xref>).</p><p>It is convenient to rescale fitnesses based on the total variance in fitness across all possible genotypes by defining <inline-formula><mml:math id="inf206"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that <inline-formula><mml:math id="inf207"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is normally distributed with zero mean and unit variance. Here, <inline-formula><mml:math id="inf208"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> has an intuitive interpretation as the ‘adaptedness’ of the organism. When the organism is neutrally adapted (<inline-formula><mml:math id="inf209"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), positive and negative epistatic contributions to the fitness are balanced and diminishing-returns is negligible. Diminishing-returns is relevant when the organism is well-adapted (<inline-formula><mml:math id="inf210"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Below, we give the intuition behind our analysis, which is presented in full detail in the SI.</p><p>In the neutrally adapted regime, the linear negative feedback in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> is negligible and the DFE is determined by the distribution of <inline-formula><mml:math id="inf211"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Loci with large <inline-formula><mml:math id="inf212"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> can lead to a DFE with a long tail. If <inline-formula><mml:math id="inf213"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the typical VF of a locus, the fitness increases as <inline-formula><mml:math id="inf214"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>n</italic><sub><italic>s</italic></sub> is the number of substitutions. Since <inline-formula><mml:math id="inf215"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a measure of overall epistasis, this implies that epistasis speeds adaptation in the neutrally adapted regime by allowing access to more influential beneficial mutations.</p><p>Fitness increases until the effect of the negative feedback cannot be neglected. From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>, this happens when <inline-formula><mml:math id="inf216"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (i.e., when <inline-formula><mml:math id="inf217"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Intuitively, fitness begins to plateau when its accumulated benefit from substitutions is comparable to the scale of the total genetic variance (<inline-formula><mml:math id="inf218"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and further improvements are due to rare positive fluctuations. In this well-adapted regime, diminishing-returns and increasing-costs epistasis strongly constrain the availability of beneficial mutations, whose effects can be quantified in this model: for a mutation to have a fitness effect <inline-formula><mml:math id="inf219"><mml:mi>σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we require from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> that <inline-formula><mml:math id="inf220"><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which has probability <inline-formula><mml:math id="inf221"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Beneficial effects of large <inline-formula><mml:math id="inf222"><mml:mi>σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> arise when <inline-formula><mml:math id="inf223"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a large positive deviation. The most likely <inline-formula><mml:math id="inf224"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> that leads to a particular <inline-formula><mml:math id="inf225"><mml:mi>σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is when <inline-formula><mml:math id="inf226"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is smallest (i.e., at <inline-formula><mml:math id="inf227"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), in which case <inline-formula><mml:math id="inf228"><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, yielding a tail probability <inline-formula><mml:math id="inf229"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Remarkably, the beneficial DFE in the well-adapted regime is quite generally an exponential distribution independent of the precise form of the DVF (unless it is singular). In particular, we show in the SI that for the DFE, <inline-formula><mml:math id="inf230"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,<disp-formula id="equ12"><label>(12)</label><mml:math id="m12"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which depends solely on the adaptedness of the organism. The exponential form arises because of the Gaussianity of <inline-formula><mml:math id="inf231"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but the argument can be easily extended to <inline-formula><mml:math id="inf232"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> with non-Gaussian tails.</p><p>An exponential beneficial DFE has been previously proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib33">Orr, 2003</xref> but arises here due to a qualitatively different argument. Orr’s result instead follows from extreme value theory: suppose the fitness effects of <inline-formula><mml:math id="inf233"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci (<inline-formula><mml:math id="inf234"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are sampled from a DFE <inline-formula><mml:math id="inf235"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf236"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:msup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then, the probability that a beneficial mutation has at least a certain effect size <inline-formula><mml:math id="inf237"><mml:mi>σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf238"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the latter approximation holds when beneficial mutations are rare (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf239"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is small). A well-known result from extreme value theory (<xref ref-type="bibr" rid="bib14">Gumbel, 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib28">Majumdar et al., 2020</xref>) implies that for a large family of distributions <inline-formula><mml:math id="inf240"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and for <inline-formula><mml:math id="inf241"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula><mml:math id="inf242"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (for some constant <inline-formula><mml:math id="inf243"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and therefore <inline-formula><mml:math id="inf244"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This argument is consistent with our results, but does not yield the dependence of <inline-formula><mml:math id="inf245"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> on adaptedness and the rate of beneficial mutations without additional information about <inline-formula><mml:math id="inf246"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Under SSWM assumptions, from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ12">Equation (12)</xref>, the typical effect size of a fixed mutation is <inline-formula><mml:math id="inf247"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which typically has a VF,<disp-formula id="equ13"><label>(13)</label><mml:math id="m13"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The above relation makes precise the effects of increasing-costs epistasis on adaptation. As adaptation proceeds, the delicate balance of high fitness configurations constrains fixed beneficial mutations to have <italic>moderate</italic> VFs. A mutation of small VF is likely to confer small benefit and is lost to genetic drift, while one with a large VF is more likely to disrupt an established high fitness configuration.</p><p>This intuition is not captured in regular fitness landscape models, which assume statistically equivalent loci, that is, <inline-formula><mml:math id="inf248"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="inf249"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf250"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is singular. From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ9">Equation (9)</xref>, we see that this leads to a Gaussian DFE whose mean decreases linearly with increasing fitness, in contrast to the exponential DFE in our theory. The key difference is the lack of loci with intermediate effect, which drive adaptation in the well-adapted regime. As a consequence, the rate of beneficial mutations declines exponentially (<inline-formula><mml:math id="inf251"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and the fitness thus sharply plateaus at <inline-formula><mml:math id="inf252"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In contrast, our theory predicts a much slower depletion of beneficial mutations, <inline-formula><mml:math id="inf253"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (SI). The rate of adaptation is <inline-formula><mml:math id="inf254"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (since <inline-formula><mml:math id="inf255"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), which leads to a slow but steady power-law gain in fitness, <inline-formula><mml:math id="inf256"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The rate of fixation of beneficial mutations is <inline-formula><mml:math id="inf257"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which gives <inline-formula><mml:math id="inf258"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>We verify our analytical results using numerics. As before, we generated a genotype-phenotype map using the CN model with an exponential DVF, <inline-formula><mml:math id="inf259"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf260"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> loci. The DFE can be calculated exactly by plugging in this <inline-formula><mml:math id="inf261"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ9">Equation (9)</xref>:<disp-formula id="equ14"><label>(14)</label><mml:math id="m14"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>We simulated the evolution of randomly generated genotypes from <inline-formula><mml:math id="inf262"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="inf263"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf264"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the DFE across all loci was measured (we chose <inline-formula><mml:math id="inf265"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="inf266"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The theoretical prediction for the DFE, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equation (14)</xref>, closely aligns with the numerical results (<xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4c</xref>).</p><p>Due to computational constraints, it is difficult to simulate evolution deep into the well-adapted regime. To compute the shape of adaptive trajectories and their variability, we instead simulated SSWM dynamics using the DFE directly from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ14">Equation (14)</xref>, beginning from a neutrally adapted fitness (<inline-formula><mml:math id="inf267"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Typical trajectories (<xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4d</xref>) show rapid adaptation to the well-adapted regime beyond which the fitness grows slowly as <inline-formula><mml:math id="inf268"><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, as predicted from theory. The predictions for the number of fixed beneficial mutation are also recapitulated (<xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4e</xref>).</p></sec></sec><sec id="s3" sec-type="discussion"><title>Discussion</title><p>Recent empirical studies have observed consistent patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis. Our model gives a simple explanation for these observations. In particular, we showed that these patterns are generic consequences of widespread microscopic epistatic interactions. The intuition underlying this result is that a random mutation typically has a larger disruptive effect on the delicate balance of microscopic epistasis that underpins a fitter background. Our model predicts a quantitative relationship between the magnitudes of global epistasis (i.e., the negative slope of diminishing-returns and increasing-costs epistasis) and microscopic epistasis, which we confirmed using existing data (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>).</p><p>A similar explanation for diminishing-returns and increasing-costs epistasis has been recently proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib27">Lyons et al., 2020</xref>. While our core argument for diminishing-returns and increasing-costs epistasis is the same as in that work, our Fourier analysis framework dissects the features of the fitness landscape necessary to observe these phenomena in terms of experimentally measurable average effects (i.e., the <inline-formula><mml:math id="inf269"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ2">Equation (2)</xref>). In particular, we show that the additivity of a locus’ interacting partners critically determines whether the trend is negative or unbiased. In addition, the Fourier analysis framework yields predictions for the DFEs, the historical influence of past mutations on the fitness effect of a newly mutated site, and motivates the proposed ‘connectedness’ fitness landscape model. The analysis of experimental data presented in Lyons et al. complements the experimental data considered here, lending further empirical support for the prevalence of epistasis and its importance in determining long-term adaptability.</p><p>Our model leads to other experimentally testable predictions. The most direct and accessible test of the theory is to measure the fitness for all possible combinations of mutations at <inline-formula><mml:math id="inf270"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula>10–15 significant loci and compare (using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ6">Equation (6)</xref>) the magnitude of global epistasis to the measured fitness coefficients (the <inline-formula><mml:math id="inf271"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s). Additionally, we predict that the magnitude of global epistasis of a double mutant should be nearly the sum of magnitudes of the corresponding single mutants, and any deviations should be biased towards sub-additivity. Since the predictions involve measuring residual variance, experimental noise can be an important confounding factor.</p><p>The observation that diminishing-returns occurs as a ‘regression to the mean’ effect on certain fitness landscapes has been noted previously (<xref ref-type="bibr" rid="bib7">Draghi and Plotkin, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib13">Greene and Crona, 2014</xref>). The theory developed here quantifies precisely when we should expect to observe these patterns. We emphasize that our key result, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref>, is a general statistical relation that holds if epistasis is widespread, irrespective of the specific genetic architecture and the corresponding fitness landscape. Weak epistasis with many loci is sufficient to observe noticeable patterns of global epistasis. However, the argument fails if the contribution of a locus is purely additive or when epistasis is limited to one or a handful of other loci. In the latter case, we expect the fitness effect of a mutation to be dominated by the allelic states of its partner loci, and thus take on a few discrete values. A few examples from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref> indeed exhibit this pattern (e.g., cases where the fitness effect of a specific mutation depends primarily on the allelic state at a single other locus).</p><p>We highlight a distinction between global epistasis discussed in this work and another form of global epistasis (also known as ‘nonspecific’ epistasis) typically used in protein evolution to describe nonspecific epistatic interactions due to a nearly additive trait transformed by a nonlinear function (<xref ref-type="bibr" rid="bib46">Starr and Thornton, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib36">Otwinowski et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib35">Otwinowski, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib41">Sailer and Harms, 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib17">Husain and Murugan, 2020</xref>). This nonlinear function creates systematic relationships between epistasis terms and breaks the condition of independent epistatic terms required for our arguments to apply. Specific nonlinearities such as an exponential function may indeed lead to a negative linear trend on average, but the structure of the residuals differs from the one in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ5">Equation (5)</xref> and observed in data.</p><p>A surprising empirical observation is that the negative linear relationship between fitness effect and ancestral fitness characteristic of global epistasis has different slopes for different loci. Our model identifies the negative slope as twice the fraction of variance contributed by a locus to the trait. To explain the wide range of VFs observed in data, we developed the CN model, a framework to think about the organization of cellular processes that can lead to loci of widely varying VFs. In the CN model, loci have a large VF due to their involvement in many different pathways rather than due to a large effect on a single pathway. The CN model can be viewed as a statistical fitness landscape where loci can have a range of VFs, specified by the DVFs. In the special case of every locus having the same VF, the CN model corresponds to a fitness landscape with tunable ruggedness and exponentially decaying correlations.</p><p>Extending our framework to incorporate adaptation, we showed that the DFE depends only on the current fitness, rather than the entire evolutionary history, under the intuitive assumptions behind the CN model. The theory therefore gives a simple explanation for why phenotypic evolution can be predictable, even while the specific mutations that underlie this evolution are highly stochastic.</p><p>Our framework has an implicit notion of ‘adaptedness’ without referencing a Gaussian-shaped phenotypic optimum, often assumed in models of adaptation (e.g., Fisher’s geometric model) (<xref ref-type="bibr" rid="bib10">Fisher, 1930</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib34">Orr, 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib29">Martin and Lenormand, 2006</xref>). Over the course of adaptation, the DFE shifts towards deleterious values, reflecting diminishing-returns, which naturally arises from our basic arguments. For a well-adapted organism, we show that the DFE for beneficial mutations takes on an exponential form and leads to universal adaptive dynamics. While an exponential DFE for beneficial mutations has been proposed previously based on extreme value theory (<xref ref-type="bibr" rid="bib33">Orr, 2003</xref>), our result arises due to an entirely different argument: the tail of the beneficial DFE is determined by loci of intermediate size whose disruptive effect due to increasing-costs is small, yet whose effect size is large enough not to be lost due to genetic drift.</p><p>Our theory further predicts declining adaptability, with rapid adaptation in a neutrally adapted regime followed by much slower increases in fitness, resulting in power-law adaptive trajectories when the organism is well-adapted. This is consistent with observations from the <italic>E. coli</italic> LTEE (<xref ref-type="bibr" rid="bib51">Wiser et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib26">Lenski et al., 2015</xref>). Our model predicts a quicker decline in the number of substitutions (<inline-formula><mml:math id="inf272"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) compared to the near linear trend observed in the LTEE data (<xref ref-type="bibr" rid="bib12">Good et al., 2017</xref>). However, the dynamics of fixation in the LTEE deviate strongly from SSWM assumptions. This may explain the discrepancy, although we note that existing theory has only analyzed the effects of clonal interference and other breakdowns in SSWM assumptions for a constant DFE and weak epistasis (<xref ref-type="bibr" rid="bib11">Good et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib44">Schiffels et al., 2011</xref>). Further work will be required to understand how these effects interact with global epistasis. For example, we may expect that the effect of a highly beneficial mutation at a segregating locus is more likely to be attenuated due to interference from subsequent deleterious mutations, while a less-fit lineage has a larger pool of beneficial mutations and is thus more likely to ‘leapfrog’ over more-fit lineages.</p></sec><sec id="s4" sec-type="materials|methods"><title>Materials and methods</title><p>The code and data to generate the figures are available at <xref ref-type="bibr" rid="bib39">Reddy, 2020</xref>.</p><sec id="s4-1"><title>Simulations</title><p>We use a fitness landscape model with <inline-formula><mml:math id="inf273"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci to generate the genotype-fitness map. Each locus is assigned a sparsity µ from <inline-formula><mml:math id="inf274"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is an exponential distribution with mean <inline-formula><mml:math id="inf275"><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Each of <inline-formula><mml:math id="inf276"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> independent pathways sample loci with each locus <inline-formula><mml:math id="inf277"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> having probability <inline-formula><mml:math id="inf278"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of being selected to a pathway. We choose <inline-formula><mml:math id="inf279"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.02</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>500</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="inf280"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ensures significant epistasis. All loci in a pathway interact with each other, where additive and higher-order coefficient terms of all orders were drawn independently from a standard normal distribution. The total fitness is the sum of contributions from the <inline-formula><mml:math id="inf281"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> pathways. We normalize the coefficients so that the sum of squares of all coefficients is 1, that is, the total variance across genotypes is 1. The mean, <inline-formula><mml:math id="inf282"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, is close to zero from our sampling procedure. The above procedure is a simple and efficient way to generate epistatic terms to order <inline-formula><mml:math id="inf283"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula>20, beyond which the computational requirements are limited by the exponentially increasing demand. Note that the effects described in the paper were also observed with only pairwise and cubic epistatic terms.</p><p>The VFs shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2a</xref> can be calculated numerically from the definition. From the theory, given our choice of <inline-formula><mml:math id="inf284"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, these should follow an exponential distribution with mean <inline-formula><mml:math id="inf285"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. There may be deviations since <inline-formula><mml:math id="inf286"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is finite whereas the calculations assume <inline-formula><mml:math id="inf287"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To generate <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2b</xref>, in order to get a range of background fitnesses, we first sample 128 random genotypes. These have fitnesses close to zero; in order to obtain a range of fitness values, we simulated the evolution of these 128 genotypes up to <inline-formula><mml:math id="inf288"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under SSWM assumptions to get <inline-formula><mml:math id="inf289"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>128</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>640</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> genotypes at roughly five fitness values. The fitness effect of applying a mutation (i.e., flipping its sign) is measured for 30 randomly chosen loci (which are kept fixed) over each of the 640 genotypes. This is shown for 5 of the 30 and for the mean over the 30 loci in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2b</xref>.</p><p>To generate <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2c</xref>, we sampled 64 random genotypes and 12 replicates of each. The evolution of these 768 genotypes was simulated for a total of 50 generations with a mutation rate of 1 per generation. The mean fitness gain over the 12 replicates is plotted for each of the 64 founders against their initial fitness.</p><p>To generate <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2d</xref>, the residuals are measured using the same procedure as for the experimental data analysis described below for the initial 128 genotypes at <inline-formula><mml:math id="inf290"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the 30 loci with the largest VF.</p><p>Double mutants were created by mutating all pairs of the 30 randomly chosen loci on the 640 evolved genotypes. Their mean fitness effect was computed and plotted along with the mean fitness effect for single mutants, shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2e</xref>. The VF of the pair of loci for the double mutant was estimated as before and compared to the sum of the estimated VFs of the corresponding single mutants. This is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2f</xref>.</p><p>To generate the plots in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4c</xref>, we simulated the evolution of 128 randomly sampled genotypes to <inline-formula><mml:math id="inf291"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf292"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The fitness effect of 200 randomly sampled loci was measured and the distribution is plotted.</p></sec><sec id="s4-2"><title>Analysis of the data from Johnson et al.</title><p>The data from <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref> consists of the fitness after the addition of 91 insertion mutations on each of 145 background genotypes. The fitness of a particular mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf293"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be modeled as<disp-formula id="equ15"><label>(15)</label><mml:math id="m15"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Residual</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf294"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the mutant and background fitnesses, respectively, <inline-formula><mml:math id="inf295"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are constants for each locus, and the residual <inline-formula><mml:math id="inf296"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Residual</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on the background genotype <inline-formula><mml:math id="inf297"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>We estimate the VF <inline-formula><mml:math id="inf298"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the Pearson correlation <inline-formula><mml:math id="inf299"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Corr</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⊕</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⊕</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the symbol ⊕ denotes that the mutant and background fitness datasets are concatenated. <inline-formula><mml:math id="inf300"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is estimated as the negative one-half of the slope of the best linear fit of <inline-formula><mml:math id="inf301"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf302"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The residuals for each of the 145 genotypes for each of the 91 mutations are simply<disp-formula id="equ16"><label>(16)</label><mml:math id="m16"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Residual</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the overline represents an average over the 145 genotypes, which is used as an estimate of the constant term and <inline-formula><mml:math id="inf303"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3b</xref>, we plot the distribution of estimated <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="inf304"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3c</xref>, we compute the AoIL for each locus using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ7">Equation (7)</xref>, which we show in the SI to be <inline-formula><mml:math id="inf305"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3d</xref>, we compute the additivity using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ8">Equation (8)</xref>. The additive effect is <inline-formula><mml:math id="inf306"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="inf307"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives the sum of squares of the epistatic terms (SI). In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3e</xref>, we compute the variance of the residuals across the 145 genotypes for each locus and plot it against the locus’ estimated <inline-formula><mml:math id="inf308"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3f</xref>, we plot the distribution of residuals over all genotypes and loci. The prediction is that in the WE limit the distribution of residuals is determined by <inline-formula><mml:math id="inf309"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf310"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a Gaussian random variable. We multiply <inline-formula><mml:math id="inf311"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> for each locus with 10,000 i.i.d. standard normal random variables, pool the resulting numbers for all loci, and plot the predicted distribution in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3f</xref>. The distributions are variance-matched. While <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3e</xref> shows that the variance of the residuals aligns with the theoretical prediction of being proportional to slope, <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3f</xref> shows that the data is also consistent with the predicted Gaussianity of the background-genotype-dependent contribution.</p></sec></sec></body><back><ack id="ack"><title>Acknowledgements</title><p>We thank Sergey Kryazhimskiy, Andrew Murray, Milo Johnson, and members of the Desai lab for comments on the manuscript. GR was supported by the NSF-Simons Center for Mathematical and Statistical Analysis of Biology at Harvard (award number #1764269) and the Harvard FAS Quantitative Biology Initiative. MMD acknowledges support from the Simons Foundation (grant 376196), NSF Grant PHY-1914916, and NIH grant R01GM104239.</p></ack><sec id="s5" sec-type="additional-information"><title>Additional information</title><fn-group content-type="competing-interest"><title>Competing interests</title><fn fn-type="COI-statement" id="conf1"><p>No competing interests declared</p></fn></fn-group><fn-group content-type="author-contribution"><title>Author contributions</title><fn fn-type="con" id="con1"><p>Conceptualization, Formal analysis, Investigation, Methodology, Writing - original draft, Writing - review and editing</p></fn><fn fn-type="con" id="con2"><p>Conceptualization, Formal analysis, Investigation, Methodology, Writing - original draft, Writing - review and editing</p></fn></fn-group></sec><sec id="s6" sec-type="supplementary-material"><title>Additional files</title><supplementary-material id="transrepform"><label>Transparent reporting form</label><media mime-subtype="docx" mimetype="application" xlink:href="elife-64740-transrepform-v2.docx"/></supplementary-material></sec><sec id="s7" sec-type="data-availability"><title>Data availability</title><p>The code and data used to generate the figures are available at <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/greddy992/global_epistasis">https://github.com/greddy992/global_epistasis</ext-link> (copy archived at <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://archive.softwareheritage.org/swh:1:rev:ab20956034094e5789a5e0b74fb015d7f5341c31/">https://archive.softwareheritage.org/swh:1:rev:ab20956034094e5789a5e0b74fb015d7f5341c31/</ext-link>).</p><p>The following previously published datasets were used:</p><p><element-citation id="dataset1" publication-type="data" specific-use="references"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wiser</surname><given-names>MJ</given-names></name><name><surname>Ribeck</surname><given-names>N</given-names></name><name><surname>Lenski</surname><given-names>RE</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2014">2014</year><data-title>Data from: Long-term dynamics of adaptation in asexual populations</data-title><source>Dryad</source><pub-id assigning-authority="Dryad" pub-id-type="doi">10.5061/dryad.0hc2m</pub-id></element-citation></p></sec><ref-list><title>References</title><ref id="bib1"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Agarwala</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Fisher</surname> <given-names>DS</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2019">2019</year><article-title>Adaptive walks on high-dimensional fitness landscapes and seascapes with distance-dependent statistics</article-title><source>Theoretical Population Biology</source><volume>130</volume><fpage>13</fpage><lpage>49</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tpb.2019.09.011</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">31605706</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib2"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Aita</surname> <given-names>T</given-names></name><name><surname>Uchiyama</surname> <given-names>H</given-names></name><name><surname>Inaoka</surname> <given-names>T</given-names></name><name><surname>Nakajima</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Kokubo</surname> <given-names>T</given-names></name><name><surname>Husimi</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2000">2000</year><article-title>Analysis of a local fitness landscape with a model of the rough Mt. Fuji-type landscape: application to prolyl endopeptidase and thermolysin</article-title><source>Biopolymers</source><volume>54</volume><fpage>64</fpage><lpage>79</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(SICI)1097-0282(200007)54:1&lt;64::AID-BIP70&gt;3.0.CO;2-R</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10799982</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib3"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Altenberg</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1997">1997</year><source>Nk Fitness Landscapes, in “The Handbook of Evolutionary Computation”</source><publisher-name>Browse Books</publisher-name></element-citation></ref><ref id="bib4"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bloom</surname> <given-names>JS</given-names></name><name><surname>Kotenko</surname> <given-names>I</given-names></name><name><surname>Sadhu</surname> <given-names>MJ</given-names></name><name><surname>Treusch</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Albert</surname> <given-names>FW</given-names></name><name><surname>Kruglyak</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2015">2015</year><article-title>Genetic interactions contribute less than additive effects to quantitative trait variation in yeast</article-title><source>Nature Communications</source><volume>6</volume><elocation-id>8712</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms9712</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26537231</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib5"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chou</surname> <given-names>HH</given-names></name><name><surname>Chiu</surname> <given-names>HC</given-names></name><name><surname>Delaney</surname> <given-names>NF</given-names></name><name><surname>Segrè</surname> <given-names>D</given-names></name><name><surname>Marx</surname> <given-names>CJ</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2011">2011</year><article-title>Diminishing returns epistasis among beneficial mutations decelerates adaptation</article-title><source>Science</source><volume>332</volume><fpage>1190</fpage><lpage>1192</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1203799</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21636771</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib6"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Couce</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Tenaillon</surname> <given-names>OA</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2015">2015</year><article-title>The rule of declining adaptability in microbial evolution experiments</article-title><source>Frontiers in Genetics</source><volume>6</volume><elocation-id>99</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fgene.2015.00099</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25815007</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib7"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Draghi</surname> <given-names>JA</given-names></name><name><surname>Plotkin</surname> <given-names>JB</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>Selection biases the prevalence and type of epistasis along adaptive trajectories</article-title><source>Evolution</source><volume>67</volume><fpage>3120</fpage><lpage>3131</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1111/evo.12192</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24151997</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib8"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Eaton</surname> <given-names>ML</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1983">1983</year><source>Multivariate Statistics: A Vector Space Approach</source><publisher-name>JOHN WILEY &amp; SONS, INC</publisher-name><pub-id pub-id-type="doi">10.2307/2347710</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib9"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Elena</surname> <given-names>SF</given-names></name><name><surname>Lenski</surname> <given-names>RE</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2003">2003</year><article-title>Evolution experiments with microorganisms: the dynamics and genetic bases of adaptation</article-title><source>Nature Reviews Genetics</source><volume>4</volume><fpage>457</fpage><lpage>469</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrg1088</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12776215</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib10"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fisher</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1930">1930</year><source>The Genetical Theory of Natural Selection</source><publisher-name>Clarendon Press</publisher-name><pub-id pub-id-type="doi">10.1046/j.1365-2540.2000.0713b.x</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib11"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Good</surname> <given-names>BH</given-names></name><name><surname>Rouzine</surname> <given-names>IM</given-names></name><name><surname>Balick</surname> <given-names>DJ</given-names></name><name><surname>Hallatschek</surname> <given-names>O</given-names></name><name><surname>Desai</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2012">2012</year><article-title>Distribution of fixed beneficial mutations and the rate of adaptation in asexual populations</article-title><source>PNAS</source><volume>109</volume><fpage>4950</fpage><lpage>4955</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1119910109</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22371564</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib12"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Good</surname> <given-names>BH</given-names></name><name><surname>McDonald</surname> <given-names>MJ</given-names></name><name><surname>Barrick</surname> <given-names>JE</given-names></name><name><surname>Lenski</surname> <given-names>RE</given-names></name><name><surname>Desai</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>The dynamics of molecular evolution over 60,000 generations</article-title><source>Nature</source><volume>551</volume><fpage>45</fpage><lpage>50</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature24287</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">29045390</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib13"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Greene</surname> <given-names>D</given-names></name><name><surname>Crona</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2014">2014</year><article-title>The changing geometry of a fitness landscape along an adaptive walk</article-title><source>PLOS Computational Biology</source><volume>10</volume><elocation-id>e1003520</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1003520</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24853069</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib14"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gumbel</surname> <given-names>EJ</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2004">2004</year><source>Statistics of Extremes</source><publisher-name>Courier Corporation</publisher-name></element-citation></ref><ref id="bib15"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Haldane</surname> <given-names>JBS</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1927">1927</year><chapter-title>A mathematical theory of natural and artificial selection, part v: selection and mutation</chapter-title><person-group person-group-type="editor"><name><surname>Haldane</surname> <given-names>J. B. S</given-names></name></person-group><source>Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society</source><publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name><fpage>838</fpage><lpage>844</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1469-185X.1924.tb00546.x</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib16"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hordijk</surname> <given-names>W</given-names></name><name><surname>Stadler</surname> <given-names>PF</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1998">1998</year><article-title>Amplitude spectra of fitness landscapes</article-title><source>Advances in Complex Systems</source><volume>01</volume><fpage>39</fpage><lpage>66</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0219525998000041</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib17"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Husain</surname> <given-names>K</given-names></name><name><surname>Murugan</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><article-title>Physical constraints on epistasis</article-title><source>Molecular Biology and Evolution</source><volume>37</volume><fpage>2865</fpage><lpage>2874</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1093/molbev/msaa124</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32421772</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib18"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hwang</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Schmiegelt</surname> <given-names>B</given-names></name><name><surname>Ferretti</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Krug</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2018">2018</year><article-title>Universality classes of interaction structures for NK fitness landscapes</article-title><source>Journal of Statistical Physics</source><volume>172</volume><fpage>226</fpage><lpage>278</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10955-018-1979-z</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib19"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jerison</surname> <given-names>ER</given-names></name><name><surname>Kryazhimskiy</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Mitchell</surname> <given-names>JK</given-names></name><name><surname>Bloom</surname> <given-names>JS</given-names></name><name><surname>Kruglyak</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Desai</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>Genetic variation in adaptability and pleiotropy in budding yeast</article-title><source>eLife</source><volume>6</volume><elocation-id>e27167</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.27167</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28826486</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib20"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Johnson</surname> <given-names>MS</given-names></name><name><surname>Martsul</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Kryazhimskiy</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Desai</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2019">2019</year><article-title>Higher-fitness yeast genotypes are less robust to deleterious mutations</article-title><source>Science</source><volume>366</volume><fpage>490</fpage><lpage>493</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.aay4199</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">31649199</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib21"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kauffman</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Levin</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1987">1987</year><article-title>Towards a general theory of adaptive walks on rugged landscapes</article-title><source>Journal of Theoretical Biology</source><volume>128</volume><fpage>11</fpage><lpage>45</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-5193(87)80029-2</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">3431131</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib22"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kauffman</surname> <given-names>SA</given-names></name><name><surname>Weinberger</surname> <given-names>ED</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1989">1989</year><article-title>The NK model of rugged fitness landscapes and its application to maturation of the immune response</article-title><source>Journal of Theoretical Biology</source><volume>141</volume><fpage>211</fpage><lpage>245</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-5193(89)80019-0</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2632988</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib23"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Khan</surname> <given-names>AI</given-names></name><name><surname>Dinh</surname> <given-names>DM</given-names></name><name><surname>Schneider</surname> <given-names>D</given-names></name><name><surname>Lenski</surname> <given-names>RE</given-names></name><name><surname>Cooper</surname> <given-names>TF</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2011">2011</year><article-title>Negative epistasis between beneficial mutations in an evolving bacterial population</article-title><source>Science</source><volume>332</volume><fpage>1193</fpage><lpage>1196</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1203801</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21636772</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib24"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kryazhimskiy</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Rice</surname> <given-names>DP</given-names></name><name><surname>Jerison</surname> <given-names>ER</given-names></name><name><surname>Desai</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2014">2014</year><article-title>Microbial evolution. global epistasis makes adaptation predictable despite sequence-level stochasticity</article-title><source>Science</source><volume>344</volume><fpage>1519</fpage><lpage>1522</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1250939</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24970088</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib25"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kubo</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1966">1966</year><article-title>The fluctuation-dissipation theorem</article-title><source>Reports on Progress in Physics</source><volume>29</volume><fpage>255</fpage><lpage>284</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0034-4885/29/1/306</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib26"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lenski</surname> <given-names>RE</given-names></name><name><surname>Wiser</surname> <given-names>MJ</given-names></name><name><surname>Ribeck</surname> <given-names>N</given-names></name><name><surname>Blount</surname> <given-names>ZD</given-names></name><name><surname>Nahum</surname> <given-names>JR</given-names></name><name><surname>Morris</surname> <given-names>JJ</given-names></name><name><surname>Zaman</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Turner</surname> <given-names>CB</given-names></name><name><surname>Wade</surname> <given-names>BD</given-names></name><name><surname>Maddamsetti</surname> <given-names>R</given-names></name><name><surname>Burmeister</surname> <given-names>AR</given-names></name><name><surname>Baird</surname> <given-names>EJ</given-names></name><name><surname>Bundy</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>Grant</surname> <given-names>NA</given-names></name><name><surname>Card</surname> <given-names>KJ</given-names></name><name><surname>Rowles</surname> <given-names>M</given-names></name><name><surname>Weatherspoon</surname> <given-names>K</given-names></name><name><surname>Papoulis</surname> <given-names>SE</given-names></name><name><surname>Sullivan</surname> <given-names>R</given-names></name><name><surname>Clark</surname> <given-names>C</given-names></name><name><surname>Mulka</surname> <given-names>JS</given-names></name><name><surname>Hajela</surname> <given-names>N</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2015">2015</year><article-title>Sustained fitness gains and variability in fitness trajectories in the long-term evolution experiment with <italic>Escherichia coli</italic></article-title><source>Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences</source><volume>282</volume><elocation-id>20152292</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspb.2015.2292</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26674951</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib27"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lyons</surname> <given-names>DM</given-names></name><name><surname>Zou</surname> <given-names>Z</given-names></name><name><surname>Xu</surname> <given-names>H</given-names></name><name><surname>Zhang</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><article-title>Idiosyncratic epistasis creates universals in mutational effects and evolutionary trajectories</article-title><source>Nature Ecology &amp; Evolution</source><volume>4</volume><fpage>1685</fpage><lpage>1693</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41559-020-01286-y</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32895516</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib28"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Majumdar</surname> <given-names>SN</given-names></name><name><surname>Pal</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Schehr</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><article-title>Extreme value statistics of correlated random variables: a pedagogical review</article-title><source>Physics Reports</source><volume>840</volume><fpage>1</fpage><lpage>32</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2019.10.005</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib29"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Martin</surname> <given-names>G</given-names></name><name><surname>Lenormand</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2006">2006</year><article-title>A general multivariate extension of Fisher's geometrical model and the distribution of mutation fitness effects across species</article-title><source>Evolution</source><volume>60</volume><fpage>893</fpage><lpage>907</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.0014-3820.2006.tb01169.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16817531</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib30"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Neher</surname> <given-names>RA</given-names></name><name><surname>Shraiman</surname> <given-names>BI</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2011">2011</year><article-title>Statistical genetics and evolution of quantitative traits</article-title><source>Reviews of Modern Physics</source><volume>83</volume><fpage>1283</fpage><lpage>1300</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.83.1283</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib31"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Neidhart</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>Szendro</surname> <given-names>IG</given-names></name><name><surname>Krug</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>Exact results for amplitude spectra of fitness landscapes</article-title><source>Journal of Theoretical Biology</source><volume>332</volume><fpage>218</fpage><lpage>227</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2013.05.002</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23685065</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib32"><element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Olver</surname> <given-names>FW</given-names></name><name><surname>Lozier</surname> <given-names>DW</given-names></name><name><surname>Boisvert</surname> <given-names>RF</given-names></name><name><surname>Clark</surname> <given-names>CW</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2010">2010</year><source>NIST Handbook of Mathematical Functions Hardback and CD-ROM</source><publisher-name>Cambridge university press</publisher-name></element-citation></ref><ref id="bib33"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Orr</surname> <given-names>HA</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2003">2003</year><article-title>The distribution of fitness effects among beneficial mutations</article-title><source>Genetics</source><volume>163</volume><fpage>1519</fpage><lpage>1526</lpage><pub-id pub-id-type="pmid">12702694</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib34"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Orr</surname> <given-names>HA</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2005">2005</year><article-title>The genetic theory of adaptation: a brief history</article-title><source>Nature Reviews Genetics</source><volume>6</volume><fpage>119</fpage><lpage>127</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrg1523</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15716908</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib35"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Otwinowski</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2018">2018</year><article-title>Biophysical inference of epistasis and the effects of mutations on protein stability and function</article-title><source>Molecular Biology and Evolution</source><volume>35</volume><fpage>2345</fpage><lpage>2354</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1093/molbev/msy141</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30085303</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib36"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Otwinowski</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>McCandlish</surname> <given-names>DM</given-names></name><name><surname>Plotkin</surname> <given-names>JB</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2018">2018</year><article-title>Inferring the shape of global epistasis</article-title><source>PNAS</source><volume>115</volume><fpage>E7550</fpage><lpage>E7558</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1804015115</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30037990</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib37"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Perfeito</surname> <given-names>L</given-names></name><name><surname>Sousa</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Bataillon</surname> <given-names>T</given-names></name><name><surname>Gordo</surname> <given-names>I</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2014">2014</year><article-title>Rates of fitness decline and rebound suggest pervasive epistasis</article-title><source>Evolution</source><volume>68</volume><fpage>150</fpage><lpage>162</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1111/evo.12234</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24372601</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib38"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Poelwijk</surname> <given-names>FJ</given-names></name><name><surname>Krishna</surname> <given-names>V</given-names></name><name><surname>Ranganathan</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2016">2016</year><article-title>The Context-Dependence of mutations: a linkage of formalisms</article-title><source>PLOS Computational Biology</source><volume>12</volume><elocation-id>e1004771</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1004771</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27337695</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib39"><element-citation publication-type="software"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Reddy</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2020">2020</year><source>Greddy992</source><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/greddy992/global_epistasis">https://github.com/greddy992/global_epistasis</ext-link></element-citation></ref><ref id="bib40"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rice</surname> <given-names>DP</given-names></name><name><surname>Good</surname> <given-names>BH</given-names></name><name><surname>Desai</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2015">2015</year><article-title>The evolutionarily stable distribution of fitness effects</article-title><source>Genetics</source><volume>200</volume><fpage>321</fpage><lpage>329</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1534/genetics.114.173815</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25762525</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib41"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sailer</surname> <given-names>ZR</given-names></name><name><surname>Harms</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>Detecting High-Order epistasis in nonlinear Genotype-Phenotype maps</article-title><source>Genetics</source><volume>205</volume><fpage>1079</fpage><lpage>1088</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1534/genetics.116.195214</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28100592</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib42"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sanjuán</surname> <given-names>R</given-names></name><name><surname>Cuevas</surname> <given-names>JM</given-names></name><name><surname>Moya</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Elena</surname> <given-names>SF</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2005">2005</year><article-title>Epistasis and the adaptability of an RNA virus</article-title><source>Genetics</source><volume>170</volume><fpage>1001</fpage><lpage>1008</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1534/genetics.105.040741</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15879507</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib43"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schenk</surname> <given-names>MF</given-names></name><name><surname>Szendro</surname> <given-names>IG</given-names></name><name><surname>Salverda</surname> <given-names>ML</given-names></name><name><surname>Krug</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>de Visser</surname> <given-names>JA</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>Patterns of epistasis between beneficial mutations in an antibiotic resistance gene</article-title><source>Molecular Biology and Evolution</source><volume>30</volume><fpage>1779</fpage><lpage>1787</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1093/molbev/mst096</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23676768</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib44"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schiffels</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Szöllosi</surname> <given-names>GJ</given-names></name><name><surname>Mustonen</surname> <given-names>V</given-names></name><name><surname>Lässig</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2011">2011</year><article-title>Emergent neutrality in adaptive asexual evolution</article-title><source>Genetics</source><volume>189</volume><fpage>1361</fpage><lpage>1375</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1534/genetics.111.132027</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21926305</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib45"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stadler</surname> <given-names>PF</given-names></name><name><surname>Happel</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1999">1999</year><article-title>Random field models for fitness landscapes</article-title><source>Journal of Mathematical Biology</source><volume>38</volume><fpage>435</fpage><lpage>478</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s002850050156</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib46"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Starr</surname> <given-names>TN</given-names></name><name><surname>Thornton</surname> <given-names>JW</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2016">2016</year><article-title>Epistasis in protein evolution</article-title><source>Protein Science</source><volume>25</volume><fpage>1204</fpage><lpage>1218</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1002/pro.2897</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26833806</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib47"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Szendro</surname> <given-names>IG</given-names></name><name><surname>Schenk</surname> <given-names>MF</given-names></name><name><surname>Franke</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>Krug</surname> <given-names>J</given-names></name><name><surname>de Visser</surname> <given-names>JAGM</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>Quantitative analyses of empirical fitness landscapes</article-title><source>Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment</source><volume>2013</volume><elocation-id>P01005</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/2013/01/P01005</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib48"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tenaillon</surname> <given-names>O</given-names></name><name><surname>Barrick</surname> <given-names>JE</given-names></name><name><surname>Ribeck</surname> <given-names>N</given-names></name><name><surname>Deatherage</surname> <given-names>DE</given-names></name><name><surname>Blanchard</surname> <given-names>JL</given-names></name><name><surname>Dasgupta</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Wu</surname> <given-names>GC</given-names></name><name><surname>Wielgoss</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Cruveiller</surname> <given-names>S</given-names></name><name><surname>Médigue</surname> <given-names>C</given-names></name><name><surname>Schneider</surname> <given-names>D</given-names></name><name><surname>Lenski</surname> <given-names>RE</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2016">2016</year><article-title>Tempo and mode of genome evolution in a 50,000-generation experiment</article-title><source>Nature</source><volume>536</volume><fpage>165</fpage><lpage>170</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature18959</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27479321</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib49"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Weinberger</surname> <given-names>ED</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="1991">1991</year><article-title>Fourier and Taylor series on fitness landscapes</article-title><source>Biological Cybernetics</source><volume>65</volume><fpage>321</fpage><lpage>330</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00216965</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib50"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Weinreich</surname> <given-names>DM</given-names></name><name><surname>Lan</surname> <given-names>Y</given-names></name><name><surname>Wylie</surname> <given-names>CS</given-names></name><name><surname>Heckendorn</surname> <given-names>RB</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>Should evolutionary geneticists worry about higher-order epistasis?</article-title><source>Current Opinion in Genetics &amp; Development</source><volume>23</volume><fpage>700</fpage><lpage>707</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.gde.2013.10.007</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24290990</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib51"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wiser</surname> <given-names>MJ</given-names></name><name><surname>Ribeck</surname> <given-names>N</given-names></name><name><surname>Lenski</surname> <given-names>RE</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2013">2013</year><article-title>Long-term dynamics of adaptation in asexual populations</article-title><source>Science</source><volume>342</volume><fpage>1364</fpage><lpage>1367</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1243357</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24231808</pub-id></element-citation></ref><ref id="bib52"><element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wünsche</surname> <given-names>A</given-names></name><name><surname>Dinh</surname> <given-names>DM</given-names></name><name><surname>Satterwhite</surname> <given-names>RS</given-names></name><name><surname>Arenas</surname> <given-names>CD</given-names></name><name><surname>Stoebel</surname> <given-names>DM</given-names></name><name><surname>Cooper</surname> <given-names>TF</given-names></name></person-group><year iso-8601-date="2017">2017</year><article-title>Diminishing-returns epistasis decreases adaptability along an evolutionary trajectory</article-title><source>Nature Ecology &amp; Evolution</source><volume>1</volume><elocation-id>61</elocation-id><pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41559-016-0061</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28812657</pub-id></element-citation></ref></ref-list><app-group><app id="appendix-1"><title>Appendix 1</title><boxed-text><sec id="s8" sec-type="appendix"><title>Diminishing-returns and increasing-costs epistasis in a model of a complex trait</title><p>In the main text, we propose that the fitness effect after a mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf312"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be written as<disp-formula id="equ17"><label>(17)</label><mml:math id="m17"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Here, <inline-formula><mml:math id="inf313"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a genotype and locus-dependent contribution, which is distributed as a mean-zero Gaussian with variance equal to the total genetic variance, <inline-formula><mml:math id="inf314"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a constant, and <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub> is the variance fraction, which is defined further below. <xref ref-type="disp-formula" rid="equ17">Equation (17)</xref> corresponds to the symmetric case where the fitness effects of the mutations <inline-formula><mml:math id="inf315"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf316"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are simultaneously regressed against their respective background fitness. The directed case when the mutation is specified to change from <inline-formula><mml:math id="inf317"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or <inline-formula><mml:math id="inf318"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) will be considered in the directed mutation section below.</p><p>We show that <xref ref-type="disp-formula" rid="equ17">Equation (17)</xref> arises under certain conditions in a generic model of a complex trait with <inline-formula><mml:math id="inf319"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> biallelic loci. Essentially, we would like to compute the distribution of the new fitness, <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub>, across genotypes after a mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf320"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> given the current fitness <inline-formula><mml:math id="inf321"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the set of all parameters <inline-formula><mml:math id="inf322"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the model (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf323"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="inf324"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Using the chain rule of probability, we can write<disp-formula id="equ18"><label>(18)</label><mml:math id="m18"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the sum is over all possible genotypes. While <inline-formula><mml:math id="inf325"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is determined by the genotype-fitness map, <inline-formula><mml:math id="inf326"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the crucial factor that gives weight only to the genotypes that yield the current fitness <inline-formula><mml:math id="inf327"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. If the fitness is much larger than the mean fitness over all possible genotypes, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ18">Equation (18)</xref> implicitly ensures that weight is given to only those genotypic configurations that lead to such an unusually large fitness. We will analyze the case of a ‘microcanonical ensemble’ where every genotypic configuration that leads to a particular fitness is equally likely (with no linkage), that is, the prior <inline-formula><mml:math id="inf328"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> across genotypes is uniform (see the section 'Maximum entropy interpretation' for a discussion).</p><p>It is difficult to directly evaluate the sum in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ18">Equation (18)</xref>. In the following sections, we give a simple derivation but elaborated to highlight the key assumption that leads to <xref ref-type="disp-formula" rid="equ17">Equation (17)</xref>. In short, the negative correlation between <inline-formula><mml:math id="inf329"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf330"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> implied by <xref ref-type="disp-formula" rid="equ17">Equation (17)</xref> is a trivial consequence of <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="inf331"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> having the same distribution w.r.t. <inline-formula><mml:math id="inf332"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="inf333"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> is in general arbitrary and determined by the genotype-fitness map. However, <inline-formula><mml:math id="inf334"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is normally distributed if we make certain assumptions about the structure of epistasis in the genotype-fitness map. The emergence of the negative linear relationship for a directed mutation <inline-formula><mml:math id="inf335"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is subtler.</p></sec><sec id="s9" sec-type="appendix"><title>Fourier representation of the fitness function</title><p>The fitness <inline-formula><mml:math id="inf336"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a genotype of length <inline-formula><mml:math id="inf337"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf338"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf339"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, can be generally written as <xref ref-type="bibr" rid="bib38">Poelwijk et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib30">Neher and Shraiman, 2011</xref><disp-formula id="equ19"><label>(19)</label><mml:math id="m19"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The symmetric choice of <inline-formula><mml:math id="inf340"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen for mathematical convenience. In this form, the total variance contribution from the <italic>q</italic>th-order epistatic terms is <inline-formula><mml:math id="inf341"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the total genetic variance, defined as<disp-formula id="equ20"><label>(20)</label><mml:math id="m20"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>is the sum of variance contributions from orders <inline-formula><mml:math id="inf342"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="inf343"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that is, the sum of squares of all the <inline-formula><mml:math id="inf344"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s. The sum over the <inline-formula><mml:math id="inf345"><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> genotypes is an expectation value assuming all genotypes are equally likely; we will denote this expectation using an overline hereafter. We use this expectation value as a proxy for empirical averages over the ‘background’ genotypes in a population. With a sufficient number of background genotypes, the empirical average should converge to this expectation value.</p><p>The representation in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ19">Equation (19)</xref> is a Fourier representation of the fitness function on the <inline-formula><mml:math id="inf346"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional hypercube and makes calculations much simpler. For instance, to get the terms from each order, we have<disp-formula id="equ21"><label>(21)</label><mml:math id="m21"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>It is useful to define the variance contribution due to a particular locus <inline-formula><mml:math id="inf347"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> as (symmetry w.r.t. interchanging indices is used for each term throughout)<disp-formula id="equ22"><label>(22)</label><mml:math id="m22"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>We also define the <italic>variance fraction</italic> of locus <inline-formula><mml:math id="inf348"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>,<disp-formula id="equ23"><label>(23)</label><mml:math id="m23"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which plays a key role in the model.</p></sec><sec id="s10" sec-type="appendix"><title>Derivation of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ17">Equation (17)</xref></title><p>We would like to relate the fitness before and after locus <inline-formula><mml:math id="inf349"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is flipped (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf350"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), denoted by <inline-formula><mml:math id="inf351"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub>, respectively. We have from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ19">Equation (19</xref>),<disp-formula id="equ24"><label>(24)</label><mml:math id="m24"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ25"><label>(25)</label><mml:math id="m25"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf352"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf353"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> respectively contain all the terms not containing and containing locus <inline-formula><mml:math id="inf354"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that is,<disp-formula id="equ26"><label>(26)</label><mml:math id="m26"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>We have <inline-formula><mml:math id="inf355"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf356"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since <inline-formula><mml:math id="inf357"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf358"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> contain all the genotype dependence, we can write<disp-formula id="equ27"><mml:math id="m27"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true" rowspacing="3pt"><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(27)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(28)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr><mml:mtd><mml:mtext>(29)</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>From the properties of the Fourier representation in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ21">Equation (21)</xref>, it is easy to see that the means are <inline-formula><mml:math id="inf359"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the variances are <inline-formula><mml:math id="inf360"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf361"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, and the covariance is <inline-formula><mml:math id="inf362"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>The calculations so far have been exact. We now make the key assumption that <inline-formula><mml:math id="inf363"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf364"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are both normal-distributed across genotypes. This assumption is similar to that of Fisher’s infinitesimal model, where the distribution of trait values across strains for a complex trait is argued to be normal-distributed since the trait value is due to infinitesimal independent contributions from many loci. While <inline-formula><mml:math id="inf365"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> is easily seen to be normal-distributed for large <inline-formula><mml:math id="inf366"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, an argument can be made for <inline-formula><mml:math id="inf367"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> only if locus <inline-formula><mml:math id="inf368"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a large number of independent, nonzero epistatic terms and the additive term <italic>f</italic><sub><italic>i</italic></sub> is smaller in magnitude than the epistatic terms; specifically, we require that <inline-formula><mml:math id="inf369"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If instead <inline-formula><mml:math id="inf370"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math id="inf371"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is bimodal, where the two modes correspond to <inline-formula><mml:math id="inf372"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="inf373"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For loci with pairwise and third-order epistasis, the number of pairwise and third-order epistatic terms scale <inline-formula><mml:math id="inf374"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf375"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, which justifies the normality assumption for large <inline-formula><mml:math id="inf376"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> even if individual epistatic terms are smaller in magnitude than the additive terms.</p><p>Under these assumptions and since <inline-formula><mml:math id="inf377"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf378"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are linearly independent, we have<disp-formula id="equ28"><label>(30)</label><mml:math id="m28"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf379"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the standard normal pdf. Therefore, <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub> is normal-distributed across genotypes and from the above equation can be written as<disp-formula id="equ29"><label>(31)</label><mml:math id="m29"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the VF <inline-formula><mml:math id="inf380"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was defined previously and <inline-formula><mml:math id="inf381"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. This leads to the form in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ17">Equation (17)</xref>,<disp-formula id="equ30"><label>(32)</label><mml:math id="m30"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The above derivation was presented to clarify the basic assumptions. Simply computing the covariance between <inline-formula><mml:math id="inf382"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ24">Equations (24)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="equ25">(25)</xref>, we get <inline-formula><mml:math id="inf383"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>−</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. The correlation is then <inline-formula><mml:math id="inf384"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref> follows if additionally <inline-formula><mml:math id="inf385"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are jointly Gaussian, which is true if locus <inline-formula><mml:math id="inf386"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> has many independent, nonzero epistatic terms.</p></sec><sec id="s11" sec-type="appendix"><title>Directed mutation</title><p>Previously, we considered the symmetric flip <inline-formula><mml:math id="inf387"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and averaged over all <inline-formula><mml:math id="inf388"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci including <inline-formula><mml:math id="inf389"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Here, we consider the case when the mutation is specified to change either from <inline-formula><mml:math id="inf390"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="inf391"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this case, we should average over all loci except <inline-formula><mml:math id="inf392"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>We consider <inline-formula><mml:math id="inf393"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the opposite case is similar). The fitness before the mutation is<disp-formula id="equ31"><label>(33)</label><mml:math id="m31"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and the fitness after the mutation is<disp-formula id="equ32"><label>(34)</label><mml:math id="m32"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>so that<disp-formula id="equ33"><label>(35)</label><mml:math id="m33"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The tilde and hat are used here to distinguish the fitness from the <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub> defined previously for the symmetric case corresponding to the flip <inline-formula><mml:math id="inf394"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We can easily compute averages over genotypes using the Fourier orthogonality relations. To compute the expectation value of products of two quantities, say <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="inf395"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, we simply compute a dot product where the components of the vectors are the coefficients of terms in the expansion above. For example, <inline-formula><mml:math id="inf396"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf397"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We have for the means, variances, and covariances, <disp-formula id="equ34"><label>(36)</label><mml:math id="m34"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ35"><label>(37)</label><mml:math id="m35"><mml:mover accent="true"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ36"><label>(38)</label><mml:math id="m36"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ37"><label>(39)</label><mml:math id="m37"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ38"><label>(40)</label><mml:math id="m38"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ39"><label>(41)</label><mml:math id="m39"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The slope when <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> is regressed against <inline-formula><mml:math id="inf398"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf399"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. We can define a ‘modified’ VF <inline-formula><mml:math id="inf400"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as half the negative slope, <disp-formula id="equ40"><label>(42)</label><mml:math id="m40"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ41"><label>(43)</label><mml:math id="m41"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Writing the linear form based on this correlation, we get<disp-formula id="equ42"><label>(44)</label><mml:math id="m42"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf401"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is again normally distributed (in the WE limit) with zero mean and variance <inline-formula><mml:math id="inf402"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf403"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mover><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. Note that, unlike <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <inline-formula><mml:math id="inf404"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be negative.</p><p>However, we argue that <inline-formula><mml:math id="inf405"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is typically positive in the WE limit, which leads to a negative linear trend. The second term in the numerator on the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation (42)</xref> has the same number of terms as <inline-formula><mml:math id="inf406"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, but these terms appear as products of Fourier coefficients that may have opposing signs. In particular, if <inline-formula><mml:math id="inf407"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf408"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, and so on, then <inline-formula><mml:math id="inf409"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is guaranteed to be positive. If we denote the typical magnitude of <italic>q</italic>th-order epistasis terms as <italic>e</italic><sub><italic>q</italic></sub> (<italic>e</italic><sub>1</sub> corresponds to additive effects), each of this relationships has the form <inline-formula><mml:math id="inf410"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="inf411"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math id="inf412"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If the number of loci is sufficiently large, then these relationships will hold even if the typical magnitude of individual higher-order epistasis terms is smaller than the lower-order terms. We therefore expect that the second term in the numerator on the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation (42)</xref> is smaller than <inline-formula><mml:math id="inf413"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math id="inf414"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A similar argument can be made for the cross terms <inline-formula><mml:math id="inf415"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> once the squares in the denominator of the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation (42)</xref> are expanded.</p><p>When <inline-formula><mml:math id="inf416"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can then write<disp-formula id="equ43"><label>(45)</label><mml:math id="m43"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Further, in the WE limit, <inline-formula><mml:math id="inf417"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that the variance of <inline-formula><mml:math id="inf418"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf419"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>To estimate the ratio of the magnitudes of the second and first terms in the numerator on the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="equ40">Equation (42)</xref> from data, we use the expression for the covariance,<disp-formula id="equ44"><label>(46)</label><mml:math id="m44"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>to get<disp-formula id="equ45"><label>(47)</label><mml:math id="m45"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></sec><sec id="s12" sec-type="appendix"><title>Comments on the result</title><sec id="s12-1"><title>Fitness as a nonlinear function of an additive trait</title><p>The negative linear trend observed in data may arise due to the measured fitness being a nonlinear function of an unobserved additive trait. In this case, the epistasis terms are systematically related to each other and the independence assumptions used to derive <xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref> break down. In short, we show that specific nonlinearities can indeed lead to a negative linear trend, but the statistics of the residuals observed in data make this possibility unlikely.</p><p>Suppose the fitness is <inline-formula><mml:math id="inf420"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf421"><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a nonlinear function, <inline-formula><mml:math id="inf422"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unobserved additive trait, <italic>f</italic><sub>0</sub> is a constant, and <italic>f</italic><sub><italic>i</italic></sub> are additive coefficients. For a linear trend, we require <inline-formula><mml:math id="inf423"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf424"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the flip <inline-formula><mml:math id="inf425"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For small <italic>f</italic><sub><italic>i</italic></sub> relative to the other coefficients, we can Taylor expand <inline-formula><mml:math id="inf426"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and show that we require <inline-formula><mml:math id="inf427"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to get a linear trend. This nonlinearity creates a linear trend with slope <inline-formula><mml:math id="inf428"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For a negative linear trend, we require <inline-formula><mml:math id="inf429"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, even if this condition is true, the relation <inline-formula><mml:math id="inf430"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is exact and there are no residuals.</p><p>To introduce residuals, suppose instead that <inline-formula><mml:math id="inf431"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf432"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a HoC term, that is, it is an independent Gaussian random variable (mean 0, variance <inline-formula><mml:math id="inf433"><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>) across genotypes and repeatable across measurements. <inline-formula><mml:math id="inf434"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> introduces epistasis in the unobserved trait. We have <inline-formula><mml:math id="inf435"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>h</italic><sub><italic>i</italic></sub> is the HoC term after the mutation, so that the average fitness effect conditional on <inline-formula><mml:math id="inf436"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf437"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The conditional variance of the residuals is <inline-formula><mml:math id="inf438"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. Note that the residual variance is no longer proportional to the slope and this variance increases as <inline-formula><mml:math id="inf439"><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which are both inconsistent with the data.</p></sec><sec id="s12-2"><title>Maximum entropy interpretation</title><p>The expectation values are averages over all the genotypes assuming that every genotype of a particular fitness is equally likely, that is, the distribution over genotypes is uniform. This assumption is analogous to ensemble averages over a microcanonical ensemble in statistical physics, where one assumes that all the particle configurations that have a particular energy are equally likely. The experimental setting in <xref ref-type="bibr" rid="bib20">Johnson et al., 2019</xref> is similar. The background genotypes are generated from a cross between two strains, which due to recombination makes each locus have equal probability of being one of the two alleles. Closely linked loci may be considered together as blocks. Some of the loci are partially linked, which may lead to deviations from the predictions. The expressions derived above can be easily extended to the case with different background genotype statistics.</p><p>The uniform distribution has an information-theoretic interpretation as the distribution that has the maximum entropy (MaxEnt) given no additional knowledge of how the genotype was generated. <xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref> can therefore be viewed as the MaxEnt prediction of the fitness effect if locus <inline-formula><mml:math id="inf440"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is mutated conditioned on the current observed fitness <inline-formula><mml:math id="inf441"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. A key idea that will be used throughout the paper is that when each locus <inline-formula><mml:math id="inf442"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a significant number of independent, nonzero epistatic terms, the distribution of fitness and fitness effects is jointly normal with respect to the uniform prior over genotypes. From well-known properties of multivariate normal distributions, the MaxEnt predictions of unobserved variables are multilinear forms of the observed variables. For example, the MaxEnt prediction for <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> given an observed sequence of past fitness is an autoregressive Gaussian process defined by the covariance between the unobserved and observed variables (see section 'History dependence' below).</p></sec><sec id="s12-3"><title>Varying a subset of loci</title><p>In addition, the sums in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ19">Equation (19)</xref> are over <inline-formula><mml:math id="inf443"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci involved in a trait. In reality, we may vary a subset <inline-formula><mml:math id="inf444"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> of all loci and take averages over only this subset. The derivation still follows through in this case; we can simply write the fitness in terms of effective parameters as<disp-formula id="equ46"><label>(48)</label><mml:math id="m46"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ47"><label>(49)</label><mml:math id="m47"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∉</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∉</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ48"><label>(50)</label><mml:math id="m48"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>∉</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>∉</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Here, we are abusing notation — it is to be assumed that a coefficient with a particular combination of indices appears only once in the sums. The results from the previous section still apply w.r.t. these new effective parameters. For instance, the total variance and the variance due to locus <inline-formula><mml:math id="inf445"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are<disp-formula id="equ49"><label>(51)</label><mml:math id="m49"><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ50"><label>(52)</label><mml:math id="m50"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and the effective VF is <inline-formula><mml:math id="inf446"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">~</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s12-4"><title>Relationship to the fluctuation-dissipation relation</title><p><xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref> is analogous to the fluctuation-dissipation theorem in statistical physics (<xref ref-type="bibr" rid="bib25">Kubo, 1966</xref>), which relates the response of a thermodynamic system to a perturbation. The relationship between the magnitude of macroscopic epistasis (the slope in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref>) and the variance due to the background genotypes is analogous to the relationship between viscous drag and Brownian motion (<xref ref-type="bibr" rid="bib25">Kubo, 1966</xref>). For Brownian motion, the normality arises due to numerous independent collisions of a particle with neighboring particles. In our case, natural selection acts as an external perturbation that pushes the system away from equilibrium (here <inline-formula><mml:math id="inf447"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>). Diminishing-returns naturally arises as the tendency of the system to revert to its entropically favored equilibrium state.</p></sec><sec id="s12-5"><title>Variance fraction of double mutants</title><p>Using the arguments from the previous section, it is easy to show that the variance of a double mutant at loci <inline-formula><mml:math id="inf448"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf449"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf450"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is necessarily sub-additive. In particular, we have<disp-formula id="equ51"><label>(53)</label><mml:math id="m51"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ52"><label>(54)</label><mml:math id="m52"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>is the total <italic>epistatic variance</italic> between loci <inline-formula><mml:math id="inf451"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf452"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The correlation between the new fitness after a double mutation and the previous fitness is <inline-formula><mml:math id="inf453"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf454"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <italic>epistatic variance fraction</italic> between <inline-formula><mml:math id="inf455"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf456"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="app1fig1" position="float"><label>Appendix 1—figure 1.</label><caption><title>The mean fitness trajectory and the mean number of substitutions predicted by the model in the strong-selection-weak-mutation regime.</title><p>(<bold>a</bold>) The scaled fitness vs. scaled time. Shown below is the fitness in log-scale to highlight the different scalings in the neutrally adapted and well-adapted regimes. The slopes of the dashed lines are shown. (<bold>b</bold>) The scaled number of substitutions vs. scaled time as in (<bold>a</bold>).</p></caption><graphic mime-subtype="tiff" mimetype="image" xlink:href="elife-64740-app1-fig1-v2.tif"/></fig></sec></sec></boxed-text></app><app id="appendix-2"><title>Appendix 2</title><boxed-text><sec id="s13" sec-type="appendix"><title>Connectedness model</title><p>We introduce a ‘connectedness’ model (the CN model, for short), where each locus has a probability <inline-formula><mml:math id="inf457"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of being involved in any particular interaction. We can interpret <inline-formula><mml:math id="inf458"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as the fraction of independent pathways that involve locus <inline-formula><mml:math id="inf459"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where each pathway has epistatic interactions between all loci involved in that pathway. The number of independent pathways, <inline-formula><mml:math id="inf460"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is assumed to be very large. The probability of an epistatic interaction between, say loci <inline-formula><mml:math id="inf461"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is proportional to <inline-formula><mml:math id="inf462"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since this is the probability that these loci are involved in the same pathway. The magnitude of the interaction term is <inline-formula><mml:math id="inf463"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the proportionality is the magnitude of the perturbative effect of the mutations, which is assumed to be constant for all orders of interaction. We set this quantity to unity since it simply scales the fitness coefficients and does not affect subsequent results. The CN model leads to a specific interpretation (and hence its name): the outsized contribution to the variance from a particular locus is due to its involvement in many different complex pathways and not from an unusually large perturbative effect on a few pathways. For large <inline-formula><mml:math id="inf464"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the CN model is specified by the distribution, <inline-formula><mml:math id="inf465"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, across loci. In particular, given <inline-formula><mml:math id="inf466"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can calculate the total genetic variance, <inline-formula><mml:math id="inf467"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the variance due to locus <inline-formula><mml:math id="inf468"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf469"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We define <inline-formula><mml:math id="inf470"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>We calculate the <italic>expected</italic> total variance across statistical ensembles. Note that here the expectations are averages over ensembles where the parameters of the model are resampled, in contrast to the derivations presented in sections above, which were ensemble averages over equally likely genotypes. Since each pathway is independently sampled, expectations approximate the values in a single realization as <inline-formula><mml:math id="inf471"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. All expectations are denoted <inline-formula><mml:math id="inf472"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We calculate the expected variance contribution from one pathway: since all pathways are statistically identical, the total variance from <inline-formula><mml:math id="inf473"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> pathways is simply <inline-formula><mml:math id="inf474"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> times the expected contribution from a single pathway. The contribution from the <italic>q</italic>th-order interaction between loci <inline-formula><mml:math id="inf475"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf476"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The expected total variance is<disp-formula id="equ53"><label>(55)</label><mml:math id="m53"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ54"><label>(56)</label><mml:math id="m54"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ55"><label>(57)</label><mml:math id="m55"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The variance due to terms involving locus <inline-formula><mml:math id="inf477"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is<disp-formula id="equ56"><label>(58)</label><mml:math id="m56"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ57"><label>(59)</label><mml:math id="m57"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ58"><label>(60)</label><mml:math id="m58"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Therefore, we have<disp-formula id="equ59"><label>(61)</label><mml:math id="m59"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>There are two qualitatively different regimes, <inline-formula><mml:math id="inf478"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf479"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. When <inline-formula><mml:math id="inf480"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, each pathway typically contains a single locus and should lead to an additive model. In this limit, we can write from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ59">Equation (61</xref>),<disp-formula id="equ60"><label>(62)</label><mml:math id="m60"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>which is consistent with the expectation that <inline-formula><mml:math id="inf481"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for an additive model. In the opposite limit, <inline-formula><mml:math id="inf482"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have<disp-formula id="equ61"><label>(63)</label><mml:math id="m61"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo rspace="12.5pt">,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The CN model therefore leads to an intuitive interpretation of the VF as being determined by the sparsity of interactions of a locus. <xref ref-type="disp-formula" rid="equ61">Equation (63)</xref> yields an upper bound at <inline-formula><mml:math id="inf483"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at <inline-formula><mml:math id="inf484"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ29">Equation (31)</xref>, we see that this case is equivalent to the HoC model of maximal epistasis where the new fitness after a mutation is independent of the previous fitness. The DVF <inline-formula><mml:math id="inf485"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is directly determined by <inline-formula><mml:math id="inf486"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; the CN model can therefore be used as a generative model to generate fitness landscapes with arbitrary DVFs.</p><p>We can further calculate the epistatic variance between two loci in the CN model. The total epistatic variance <inline-formula><mml:math id="inf487"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> between loci <inline-formula><mml:math id="inf488"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf489"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> is<disp-formula id="equ62"><label>(64)</label><mml:math id="m62"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ63"><label>(65)</label><mml:math id="m63"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>In the limit <inline-formula><mml:math id="inf490"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the epistatic VF after dividing by <inline-formula><mml:math id="inf491"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is then simply <inline-formula><mml:math id="inf492"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ51">Equation (53)</xref>, we have<disp-formula id="equ64"><label>(66)</label><mml:math id="m64"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>If <italic>v</italic><sub><italic>i</italic></sub>’s are small, the CN model predicts near-additivity between the effects of two loci. This is not inconsistent with the strong epistasis assumption implicit in the limit <inline-formula><mml:math id="inf493"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>: though the total contribution of epistatic interactions to the genetic variance may be large, the epistatic variance between two specific loci can still be negligible. This is because the majority of epistatic variance is due to the combinatorially large number of higher-order epistatic terms whose individual effects themselves can be weak.</p></sec><sec id="s14" sec-type="appendix"><title>Relationship to statistical fitness landscapes</title><p>Statistical fitness landscapes such as the NK model and the Rough Mt. Fuji model are closely related to the CN model described above. The CN model falls under the broad class of generalized NK models (<xref ref-type="bibr" rid="bib18">Hwang et al., 2018</xref>). In generalized NK models, epistasis is due to modules (or ‘pathways’) of <inline-formula><mml:math id="inf494"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci that interact epistatically with each other. The different NK models differ in how the loci are assigned to the modules and the interaction structure within the module. In the CN model, each locus has a locus-specific probability of being part of any module and the interaction structure within a module is all-to-all. The locus-specific probability gives rise to a highly non-regular model, that is, loci can have a wide range of contributions to the total variance. This feature gives rise to qualitatively different adaptation properties. We will show this further below in addition to showing that the CN model has a special memoryless property.</p><p>Well-studied fitness landscapes such as Kauffman’s NK model and the Rough Mt. Fuji landscape are regular, that is, every locus contributes equally to the variance. In other words, the DFE, which is determined by the DVF in our picture, instead comes from a single constant value <inline-formula><mml:math id="inf495"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The fluctuations of the fitness effects are solely due to the genotype-dependent term <inline-formula><mml:math id="inf496"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which is a Gaussian. In a later section, we show that the DFE in this case corresponds to a Gaussian with mean <inline-formula><mml:math id="inf497"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As adaptation proceeds and <inline-formula><mml:math id="inf498"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases, the DFE shifts to the deleterious side but retains its Gaussian shape. The adaptation properties that result from this DFE are quite different from those arising from our theory. Further, while the regular fitness landscape picture may lead to a good approximation of our results when the number of mutations is large, it does not capture the different magnitudes of diminishing-returns for different loci observed in experiments.</p></sec><sec id="s15" sec-type="appendix"><title>The landscape of the regular CN model</title><p>The CN model for the special case of homogeneous loci, <inline-formula><mml:math id="inf499"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="inf500"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is similar to the NK model but with one major difference: the number of loci in each pathway in the NK model is fixed at <inline-formula><mml:math id="inf501"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci, whereas in the CN model the typical pathway size is controlled by a continuous parameter <inline-formula><mml:math id="inf502"><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. This introduces contributions at every epistatic order while effectively imposing sparsity on the contributions from higher-order interactions. We now show that the regular CN model has tunable ruggedness, that is, it transitions from an additive model to a model with maximal epistasis with increasing <inline-formula><mml:math id="inf503"><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and has exponentially decaying correlations for <inline-formula><mml:math id="inf504"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>The regular fitness landscapes often discussed are stationary Gaussian processes on a <inline-formula><mml:math id="inf505"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional hypercube. The regular CN model (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf506"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="inf507"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>) also falls into this class as <inline-formula><mml:math id="inf508"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The key quantity that defines such a fitness landscape is the covariance function between the fitnesses of genotypes <inline-formula><mml:math id="inf509"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf510"><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf511"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf512"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Hamming distance between two genotypes. We now compute the covariance <inline-formula><mml:math id="inf513"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the regular CN model. Each order term in each pathway is independent and the covariances for each order add up over all pathways. We first calculate the expectation of the first-order term in a single pathway, which is<disp-formula id="equ65"><label>(67)</label><mml:math id="m65"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ66"><label>(68)</label><mml:math id="m66"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ67"><label>(69)</label><mml:math id="m67"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Here, we have used <inline-formula><mml:math id="inf514"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the <inline-formula><mml:math id="inf515"><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> comes from the probability of locus <inline-formula><mml:math id="inf516"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> being selected for the module as argued previously. The covariance is linear in the distance between genotypes, as one would expect from an additive model. Directly calculating the higher-order terms is more complicated because of the ordering restriction <inline-formula><mml:math id="inf517"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the second-order term and for higher orders. As noted previously (<xref ref-type="bibr" rid="bib45">Stadler and Happel, 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib31">Neidhart et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="bib1">Agarwala and Fisher, 2019</xref>), these can instead be calculated using combinatorics, which we will demonstrate with the second-order term. We have for the second-order covariance<disp-formula id="equ68"><label>(70)</label><mml:math id="m68"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ69"><label>(71)</label><mml:math id="m69"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the element-wise product <inline-formula><mml:math id="inf518"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is 1 if <inline-formula><mml:math id="inf519"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> match and −1 otherwise. If <inline-formula><mml:math id="inf520"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the distance between <inline-formula><mml:math id="inf521"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf522"><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, then the element-wise product <inline-formula><mml:math id="inf523"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has <inline-formula><mml:math id="inf524"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms and <inline-formula><mml:math id="inf525"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> 1 terms. The term in the summation above is 1 if both <inline-formula><mml:math id="inf526"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf527"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are chosen from the <inline-formula><mml:math id="inf528"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> subset or both are chosen from <inline-formula><mml:math id="inf529"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> subset. This term is −1 if one of the two is chosen from the <inline-formula><mml:math id="inf530"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> subset and the other from the <inline-formula><mml:math id="inf531"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> subset. The number of terms that are 1 s are therefore <inline-formula><mml:math id="inf532"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the number of terms that are −1 s are <inline-formula><mml:math id="inf533"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This argument is easily extended to higher orders. The general <italic>q</italic>th-order contribution to the covariance is<disp-formula id="equ70"><label>(72)</label><mml:math id="m70"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>min</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac linethickness="0pt"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>It is easily verified that the first-order term matches. When <inline-formula><mml:math id="inf534"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we recover the binomial coefficients, as expected. The summation above is precisely the Krawtchouk polynomial <inline-formula><mml:math id="inf535"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi class="ltx_font_mathcaligraphic">𝒦</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="bib32">Olver et al., 2010</xref>), which we will denote by <inline-formula><mml:math id="inf536"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi class="ltx_font_mathcaligraphic">𝒦</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We therefore have<disp-formula id="equ71"><label>(73)</label><mml:math id="m71"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi class="ltx_font_mathcaligraphic">𝒦</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The generating function of the Krawtchouk polynomials yields<disp-formula id="equ72"><label>(74)</label><mml:math id="m72"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The above expression is consistent with intuition: when <inline-formula><mml:math id="inf537"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the covariance is linear in <inline-formula><mml:math id="inf538"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as expected for an additive model. In the opposite limit of <inline-formula><mml:math id="inf539"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf540"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the constant term 1 can be ignored, and we see that the covariance is proportional to <inline-formula><mml:math id="inf541"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf542"><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Epistasis is maximal when <inline-formula><mml:math id="inf543"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in which case <inline-formula><mml:math id="inf544"><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the covariance rapidly goes to zero with <inline-formula><mml:math id="inf545"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This is the HoC model of maximal epistasis.</p></sec><sec id="s16" sec-type="appendix"><title>The landscape of the general CN model</title><p>The landscape of the general CN model, where loci can have different <inline-formula><mml:math id="inf546"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is no longer stationary but the correlation structure can still be calculated. The <italic>q</italic>th-order contribution to the covariance between genotypes <inline-formula><mml:math id="inf547"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf548"><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> in the general case is<disp-formula id="equ73"><label>(75)</label><mml:math id="m73"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:munder><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>It is easy to see that when the contributions from all orders are added up, the covariance <inline-formula><mml:math id="inf549"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a rather simple product form<disp-formula id="equ74"><label>(76)</label><mml:math id="m74"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The correlation <inline-formula><mml:math id="inf550"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is<disp-formula id="equ75"><label>(77)</label><mml:math id="m75"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The above relation is exact. When <inline-formula><mml:math id="inf551"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf552"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math id="inf553"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the 1’s in the numerator and denominator above can be ignored. We get<disp-formula id="equ76"><label>(78)</label><mml:math id="m76"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msub><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>When <inline-formula><mml:math id="inf554"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>’s are equal, we recover the homogeneous case with exponentially decaying correlations.</p></sec></boxed-text></app><app id="appendix-3"><title>Appendix 3</title><boxed-text><sec id="s17" sec-type="appendix"><title>Adaptation</title><sec id="s17-1"><title>The distribution of fitness effects</title><p>Long-term adaptation is determined by the DFEs and the stochastic dynamical processes that lead to fixation. Before analyzing the properties of adaptive walks, we clarify what our previous analysis, which ultimately led to <xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref>, means for the DFE.</p><p><xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref> represents the distribution of the fitness effect of a specific mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf555"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> over <italic>all</italic> genotypes in the population that have fitness <inline-formula><mml:math id="inf556"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We are instead interested in the DFE, where fitness effects are measured for all the mutations of a <italic>particular</italic> genotype that has fitness <inline-formula><mml:math id="inf557"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The DFE for a particular genotype generally depends on idiosyncratic epistatic interactions between loci. In order to make this explicit, we turn to our analysis framework described previously. For notational convenience, we will assume <inline-formula><mml:math id="inf558"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf559"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in this subsection and the next.</p><p>The DFE over <inline-formula><mml:math id="inf560"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci for a particular genotype of a fitness <inline-formula><mml:math id="inf561"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be thought of as a <italic>sample</italic>, <inline-formula><mml:math id="inf562"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, from the conditional joint distribution <inline-formula><mml:math id="inf563"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. From our assumption of numerous, independent epistatic terms for each locus, this joint distribution is defined entirely in terms of the means and covariances of the <inline-formula><mml:math id="inf564"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> variables <inline-formula><mml:math id="inf565"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Recall that the fitness effect of a mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf566"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf567"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ26">Equation (26)</xref>. As shown previously, we have <inline-formula><mml:math id="inf568"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We also have <inline-formula><mml:math id="inf569"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="inf570"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The means of all the variables are zero. Based on this covariance structure, we can compute <inline-formula><mml:math id="inf571"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using the properties of the conditional distribution of a multivariate normal distribution. It is straightforward to show that conditional on the fitness <inline-formula><mml:math id="inf572"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the conditional means are given by <inline-formula><mml:math id="inf573"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Mean</mml:mtext><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the conditional covariances are <inline-formula><mml:math id="inf574"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Cov</mml:mtext><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This relation makes clear that in general the DFE from a sample <inline-formula><mml:math id="inf575"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on the epistatic interactions between all pairs of loci via <inline-formula><mml:math id="inf576"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Note that <inline-formula><mml:math id="inf577"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which leads to <xref ref-type="disp-formula" rid="equ30">Equation (32)</xref> for the marginal distribution <inline-formula><mml:math id="inf578"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of a particular locus.</p><p>The DFE simplifies considerably if we make certain additional assumptions on the nature of epistatic interactions. In particular, the conditional correlation between fitness effects is<disp-formula id="equ77"><label>(79)</label><mml:math id="m77"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Corr</mml:mtext><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>If we assume the typical VF, <inline-formula><mml:math id="inf579"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is small (i.e., <inline-formula><mml:math id="inf580"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and also that <inline-formula><mml:math id="inf581"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="inf582"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then correlations are <inline-formula><mml:math id="inf583"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus negligible. Then, in a particular sample <inline-formula><mml:math id="inf584"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can think of each <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub> as being drawn independently with mean <inline-formula><mml:math id="inf585"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and variance <inline-formula><mml:math id="inf586"><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If <inline-formula><mml:math id="inf587"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large, then this leads to a DFE<disp-formula id="equ78"><label>(80)</label><mml:math id="m78"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf588"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the DVFs across the loci and <inline-formula><mml:math id="inf589"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the standard normal pdf. Surprisingly, this relation becomes exact for the CN model, where we have shown that <inline-formula><mml:math id="inf590"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ64">Equation (66)</xref>) and therefore the correlations between <italic>s</italic><sub><italic>i</italic></sub>’s vanish. In this case, the DFE is thus determined entirely by the DVF, but we will show later that it has certain universal properties independent of even the DVF. Note that we derive the DFE starting from rather general assumptions on the organization of the genotype-phenotype map in contrast to past models that assume the DFE as a starting point.</p><p>Above, we have measured the DFE for the subset of genotypes that have fitness <inline-formula><mml:math id="inf591"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> without regard to their evolutionary history. Over the course of adaptation, mutations are fixed and certain fitness changes are observed. We would then like to measure the DFE for those genotypes that have undergone a particular adaptive trajectory. As we show below, the DFE again simplifies considerably if certain relations hold.</p></sec></sec><sec id="s18" sec-type="appendix"><title>History dependence</title><p>Using an analysis similar to the one in the previous section, we quantify history dependence by calculating the correlations between the new fitness and the adaptive history conditional on the genotypes that have undergone a specific sequence of events in the past.</p><p>To be precise, suppose an initial clonal population of fitness <italic>y</italic><sub>0</sub> gains <inline-formula><mml:math id="inf592"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> successive mutations and the corresponding sequence of fitnesses is <inline-formula><mml:math id="inf593"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We would like to quantify how the fitness of a new mutation at locus <inline-formula><mml:math id="inf594"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="inf595"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, depends on past fitnesses and the idiosyncratic epistatic interactions between the previous <inline-formula><mml:math id="inf596"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> mutations and the new mutation. The correlation between any two fitnesses <italic>y</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <italic>y</italic><sub><italic>j</italic></sub> (<inline-formula><mml:math id="inf597"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is given by <inline-formula><mml:math id="inf598"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="inf599"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the VF of the loci <inline-formula><mml:math id="inf600"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the subscript notation will be used throughout). In general, <inline-formula><mml:math id="inf601"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> accounts for the epistatic interactions of all orders between these <inline-formula><mml:math id="inf602"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> loci and is expressible in terms of the coefficients of our original complex trait model in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ19">Equation (19)</xref>. One can then write the covariance matrix between <inline-formula><mml:math id="inf603"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In block form, this is<disp-formula id="equ79"><label>(81)</label><mml:math id="m79"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="5pt" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The mean of <inline-formula><mml:math id="inf604"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> conditional on <inline-formula><mml:math id="inf605"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a linear weighted sum of the past fitnesses:<disp-formula id="equ80"><label>(82)</label><mml:math id="m80"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf606"><mml:mi mathvariant="bold-italic">𝒚</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a vector with elements <inline-formula><mml:math id="inf607"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In other words, <inline-formula><mml:math id="inf608"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be written as<disp-formula id="equ81"><label>(83)</label><mml:math id="m81"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf609"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a mean-zero stochastic term that depends on the genotype of the initial population and whose variance can be calculated from <inline-formula><mml:math id="inf610"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. To gain intuition, it is useful to explicitly calculate the case of <inline-formula><mml:math id="inf611"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this case, the covariance matrix is<disp-formula id="equ82"><label>(84)</label><mml:math id="m82"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="5pt" rowspacing="0pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>We have<disp-formula id="equ83"><label>(85)</label><mml:math id="m83"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="1em"/><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ84"><label>(86)</label><mml:math id="m84"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnspacing="5pt"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>We therefore have<disp-formula id="equ85"><label>(87)</label><mml:math id="m85"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>The dependence on the past has complex dependencies on epistasis between loci 1 and 2 even in this highly simplified case. To identify what contributes to history dependence beyond just the most recent fitness, we rewrite <xref ref-type="disp-formula" rid="equ85">Equation (87)</xref> as<disp-formula id="equ86"><label>(88)</label><mml:math id="m86"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>From here, we observe that the dependence on <italic>v</italic><sub>1</sub> and <italic>y</italic><sub>0</sub> vanishes precisely when <inline-formula><mml:math id="inf612"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is not true for all landscapes. However, as noted previously, this is in fact true for the CN model (<xref ref-type="disp-formula" rid="equ64">Equation (66)</xref>) when <inline-formula><mml:math id="inf613"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this case, we get the simple relation<disp-formula id="equ87"><label>(89)</label><mml:math id="m87"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the pre-factor in the second term comes from normalization and <inline-formula><mml:math id="inf614"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a Gaussian random variable.</p><p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ51">Equation (53)</xref>, we have the general relation <inline-formula><mml:math id="inf615"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>e</italic><sub>12</sub> is the epistatic VF between loci 1 and 2. We can then rewrite <xref ref-type="disp-formula" rid="equ86">Equation (88)</xref> as<disp-formula id="equ88"><label>(90)</label><mml:math id="m88"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo accent="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>for <inline-formula><mml:math id="inf616"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf617"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. An intuitive interpretation of this result is presented in the main text.</p></sec><sec id="s19" sec-type="appendix"><title>Sufficient condition for memoryless fitness gains</title><p>The <inline-formula><mml:math id="inf618"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> case suggests that the relation for memoryless fitness gains (<inline-formula><mml:math id="inf619"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) could in fact be true for all <inline-formula><mml:math id="inf620"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> under the CN model, which indeed turns out to be the case, as we show below. Motivated by the <inline-formula><mml:math id="inf621"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> case, we would like to have <inline-formula><mml:math id="inf622"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ81">Equation (83)</xref> and the rest of the weights equal to zero. If this is the case,<disp-formula id="equ89"><label>(91)</label><mml:math id="m89"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Multiplying both sides by <italic>y</italic><sub><italic>j</italic></sub> and computing the correlations, we get the condition <inline-formula><mml:math id="inf623"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="inf624"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Therefore, a sufficient condition for memoryless fitness gain is<disp-formula id="equ90"><label>(92)</label><mml:math id="m90"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for all <inline-formula><mml:math id="inf625"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> and for all <inline-formula><mml:math id="inf626"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We will now show that this is true for the CN model for <inline-formula><mml:math id="inf627"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math id="inf628"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; the rest trivially follows. Let us first analyze what terms contribute towards <inline-formula><mml:math id="inf629"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (dividing by <inline-formula><mml:math id="inf630"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math id="inf631"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>). When loci 1 through <inline-formula><mml:math id="inf632"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> are mutated, their effect is to flip the signs of their coefficients in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ19">Equation (19)</xref>. The ones that have changed sign contribute to the de-correlation between the fitnesses before and after the set of mutations, but the epistatic terms that have an even number of flips do not change and therefore their contribution has to be subtracted. <inline-formula><mml:math id="inf633"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> therefore is the sum of squares of all the coefficients in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ19">Equation (19)</xref> whose loci have flipped an odd number of times. To keep track of indices, suppose <inline-formula><mml:math id="inf634"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used to denote the indices of the <inline-formula><mml:math id="inf635"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci (which take values from 1 to <inline-formula><mml:math id="inf636"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and <inline-formula><mml:math id="inf637"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the rest. Then,<disp-formula id="equ91"><label>(93)</label><mml:math id="m91"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="right left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>and so on. Now, when the <inline-formula><mml:math id="inf638"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> locus is also flipped, to compute <inline-formula><mml:math id="inf639"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we can add up the two variances <inline-formula><mml:math id="inf640"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf641"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> except for the cross terms that have an even number of sign flips and that include both the <inline-formula><mml:math id="inf642"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> locus and the other <inline-formula><mml:math id="inf643"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> loci. These have to be subtracted twice because they appear both in <inline-formula><mml:math id="inf644"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf645"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. These terms are<disp-formula id="equ92"><label>(94)</label><mml:math id="m92"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo largeop="true" movablelimits="false" symmetric="true">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the <inline-formula><mml:math id="inf646"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> are defined in a similar fashion as in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ91">Equation (93)</xref> except the sums over <inline-formula><mml:math id="inf647"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> run from <inline-formula><mml:math id="inf648"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="inf649"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="inf650"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="inf651"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We get the general relation<disp-formula id="equ93"><label>(95)</label><mml:math id="m93"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>For the CN model specifically, we have <inline-formula><mml:math id="inf652"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This implies<disp-formula id="equ94"><label>(96)</label><mml:math id="m94"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Performing a similar calculation for <inline-formula><mml:math id="inf653"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we find<disp-formula id="equ95"><label>(97)</label><mml:math id="m95"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left left" columnspacing="1em" rowspacing="4pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula>which gives<disp-formula id="equ96"><label>(98)</label><mml:math id="m96"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for <inline-formula><mml:math id="inf654"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since <inline-formula><mml:math id="inf655"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Dividing <xref ref-type="disp-formula" rid="equ93">Equation (95)</xref> by <inline-formula><mml:math id="inf656"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> throughout concludes the derivation.</p></sec><sec id="s20" sec-type="appendix"><title>Adaptedness</title><p>Under the conditions of memoryless fitness gains from the previous section, we can write<disp-formula id="equ97"><label>(99)</label><mml:math id="m97"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where variables have been rescaled as <inline-formula><mml:math id="inf657"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This equation suggests various forms for the DFE, <inline-formula><mml:math id="inf658"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, depending on the DVF, <inline-formula><mml:math id="inf659"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p><inline-formula><mml:math id="inf660"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is an intuitive measure of ‘adaptedness’: (1) when <inline-formula><mml:math id="inf661"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is negative, the organism is in the unlikely situation of being ‘negatively adapted’ to the environment. Beneficial mutations are much more likely than deleterious mutations and adaptation is dominated by loci that have a large <inline-formula><mml:math id="inf662"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>. (2) When <inline-formula><mml:math id="inf663"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the organism is ‘neutrally adapted’. The number of beneficial and deleterious mutations is balanced. (3) When <inline-formula><mml:math id="inf664"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the organism is ‘well-adapted,’ where the DFE is strongly skewed towards deleterious mutations.</p><p>We will analyze adaptation in the neutrally adapted and the well-adapted regimes. When the organism is negatively adapted, <xref ref-type="disp-formula" rid="equ97">Equation (99)</xref> predicts that a few substitutions are sufficient to quickly reach the neutrally adapted state. In addition, we assume the VF of each locus is small, that is, <inline-formula><mml:math id="inf665"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but the number of loci <inline-formula><mml:math id="inf666"><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large enough so that overall epistasis <inline-formula><mml:math id="inf667"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">ℓ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="inf668"><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the mean VF). We can then ignore the <inline-formula><mml:math id="inf669"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> factor and rewrite <xref ref-type="disp-formula" rid="equ97">Equation (99)</xref> as<disp-formula id="equ98"><label>(100)</label><mml:math id="m98"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>v</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The intuition behind the analytical results is discussed in the main text. We present the formal calculations here.</p></sec><sec id="s21" sec-type="appendix"><title>Analytical results for an exponential DVF</title><p>We begin by calculating the DFE, <inline-formula><mml:math id="inf670"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for the specific case when the DVF is an exponential,<disp-formula id="equ99"><label>(101)</label><mml:math id="m99"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf671"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the mean VF across loci. The true DVF likely has a large fraction of loci that have no effect; accounting for these loci simply scales the mutation rate and will be ignored in this analysis. The exponential DVF leads to analytical predictions for the shape of the average fitness trajectories under certain simplifying assumptions about the underlying selective forces.</p><p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ98">Equation (100)</xref>, we have<disp-formula id="equ100"><label>(102)</label><mml:math id="m100"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>v</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Here, <inline-formula><mml:math id="inf672"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a standard normal random variable, which we integrate out, giving<disp-formula id="equ101"><label>(103)</label><mml:math id="m101"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>v</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>v</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf673"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the normal pdf. For <inline-formula><mml:math id="inf674"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ99">Equation (101)</xref>, this integral can be calculated exactly:<disp-formula id="equ102"><label>(104)</label><mml:math id="m102"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The resulting DFE is a double exponential with scale <inline-formula><mml:math id="inf675"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math id="inf676"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> small, the DFE is symmetric around the origin, as expected, with a scale determined by the DVF. As <inline-formula><mml:math id="inf677"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases, the DFE skews towards deleterious effects. The typical magnitudes of beneficial and deleterious effects are not independent from the overall ratio of beneficial to deleterious mutations. The well-adapted regime is reached when <inline-formula><mml:math id="inf678"><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> is comparable to <inline-formula><mml:math id="inf679"><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. To clearly delineate the two regimes, it is useful to define new variables <inline-formula><mml:math id="inf680"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf681"><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the new variables, the DFE is<disp-formula id="equ103"><label>(105)</label><mml:math id="m103"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The neutrally adapted and well-adapted regimes then correspond to <inline-formula><mml:math id="inf682"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf683"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. The mean rate of adaptation in units of generations on the <inline-formula><mml:math id="inf684"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> scale is <inline-formula><mml:math id="inf685"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the expectation is taken over fixation probabilities and the DFE. We assume SSWM so that <inline-formula><mml:math id="inf686"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="inf687"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for positive <inline-formula><mml:math id="inf688"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and 0 otherwise. We find<disp-formula id="equ104"><label>(106)</label><mml:math id="m104"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ105"><label>(107)</label><mml:math id="m105"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="inf689"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is population size, and <inline-formula><mml:math id="inf690"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the effective mutation rate for loci with nonzero effect. Integrating over <inline-formula><mml:math id="inf691"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we get<disp-formula id="equ106"><label>(108)</label><mml:math id="m106"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Integrating over <inline-formula><mml:math id="inf692"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> starting from an initial <italic>x</italic><sub>0</sub>, we obtain an approximation to the mean fitness trajectory<disp-formula id="equ107"><label>(109)</label><mml:math id="m107"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>gen</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ108"><label>(110)</label><mml:math id="m108"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msqrt><mml:mn>15</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p><p>Note that this is only an approximation for small <inline-formula><mml:math id="inf693"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> since the typical fixed beneficial effect is a discrete jump. We show the result from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ107">Equation (109)</xref> in <xref ref-type="fig" rid="app1fig1">Appendix 1—figure 1a</xref>, where the dependencies on the equilibrium fitness <inline-formula><mml:math id="inf694"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and genetic variance <inline-formula><mml:math id="inf695"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> are highlighted. There are two independent parameters that determine the scale (<inline-formula><mml:math id="inf696"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>) and location (<inline-formula><mml:math id="inf697"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) of the fitness, and one parameter (<inline-formula><mml:math id="inf698"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>gen</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) that determines the time scale. From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ107">Equation (109)</xref>, the <inline-formula><mml:math id="inf699"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="inf700"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scalings in the neutrally adapted (<inline-formula><mml:math id="inf701"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and well-adapted regime (<inline-formula><mml:math id="inf702"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) respectively are apparent.</p><p>The number of substitutions, <italic>n</italic><sub><italic>s</italic></sub>, as a function of <inline-formula><mml:math id="inf703"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> can also be calculated under the SSWM assumption. We get<disp-formula id="equ109"><label>(111)</label><mml:math id="m109"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ110"><label>(112)</label><mml:math id="m110"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>where</mml:mtext><mml:mo mathvariant="italic" separator="true"> </mml:mo><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which can be mapped onto time using <xref ref-type="disp-formula" rid="equ107">Equation (109)</xref>. The scalings are <inline-formula><mml:math id="inf704"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the neutrally adapted regime and <inline-formula><mml:math id="inf705"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the well-adapted regime.</p></sec><sec id="s22" sec-type="appendix"><title>Asymptotics and general scaling results</title><p>We now derive the asymptotic properties of the DFE in the well-adapted regime (<inline-formula><mml:math id="inf706"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Writing out the Gaussian pdf in <xref ref-type="disp-formula" rid="equ78">Equation (80)</xref>, we have<disp-formula id="equ111"><label>(113)</label><mml:math id="m111"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ112"><label>(114)</label><mml:math id="m112"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ113"><label>(115)</label><mml:math id="m113"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the change of variables <inline-formula><mml:math id="inf707"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used. When <inline-formula><mml:math id="inf708"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Laplace’s method can be used. The exponent is minimized when <inline-formula><mml:math id="inf709"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which gives<disp-formula id="equ114"><label>(116)</label><mml:math id="m114"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The contribution towards a fitness effect <inline-formula><mml:math id="inf710"><mml:mi>σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> at large <inline-formula><mml:math id="inf711"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> comes largely from loci with VF <inline-formula><mml:math id="inf712"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The exponential form of the beneficial DFE is determined entirely by the Gaussian tails of the genotype-dependent term. The argument can be easily generalized to non-Gaussian tail probabilities using a similar calculation. <xref ref-type="disp-formula" rid="equ114">Equation (116)</xref> implies that the ratio of the probabilities of beneficial and deleterious mutations is independent of the DVF as long as it has sufficient mass at <inline-formula><mml:math id="inf713"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:<disp-formula id="equ115"><label>(117)</label><mml:math id="m115"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>Such a relationship has been hypothesized previously based on simulations of an additive finite-sites model and the form of <inline-formula><mml:math id="inf714"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> close to the high-interference limit that could result in a fitness plateau (<xref ref-type="bibr" rid="bib40">Rice et al., 2015</xref>). Using our theory, we have shown that this result is indeed true independent of the DVF and under our core hypotheses of normality and memoryless fitness gains. If <inline-formula><mml:math id="inf715"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the high-interference limit, where <inline-formula><mml:math id="inf716"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the coalescent time, fitness should plateau when <inline-formula><mml:math id="inf717"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is at<disp-formula id="equ116"><label>(118)</label><mml:math id="m116"><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mtext>plateau</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The <inline-formula><mml:math id="inf718"><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> appears to account for the rescaling <inline-formula><mml:math id="inf719"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>We get <xref ref-type="disp-formula" rid="equ114">Equation (116)</xref> only if <inline-formula><mml:math id="inf720"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has probability mass at <inline-formula><mml:math id="inf721"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is not the case in the exponentially correlated fitness landscape model with homogeneous loci, that is, if, for instance, <inline-formula><mml:math id="inf722"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we instead get from <xref ref-type="disp-formula" rid="equ78">Equation (80)</xref><disp-formula id="equ117"><label>(119)</label><mml:math id="m117"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo lspace="2.5pt" rspace="2.5pt" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The DFE in this case is therefore a Gaussian with mean shifting towards the deleterious side. The ratio of beneficial to deleterious mutations goes rapidly to zero as <inline-formula><mml:math id="inf723"><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msqrt><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and adaptation sharply plateaus beyond <inline-formula><mml:math id="inf724"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ114">Equation (116),</xref> various scaling results can be derived that apply independent of <inline-formula><mml:math id="inf725"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the Gaussian assumption on <inline-formula><mml:math id="inf726"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We retain the exponential form for convenience. The rate of beneficial mutations is<disp-formula id="equ118"><label>(120)</label><mml:math id="m118"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="equ119"><label>(121)</label><mml:math id="m119"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo largeop="true" symmetric="true">∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>𝑑</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p><p>The integral has an effective upper cutoff at <inline-formula><mml:math id="inf727"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and can be approximated as <inline-formula><mml:math id="inf728"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under certain assumptions for <inline-formula><mml:math id="inf729"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for small <inline-formula><mml:math id="inf730"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The pre-factor <inline-formula><mml:math id="inf731"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> suggests that the number of beneficial mutations depends on the number of small-effect loci. While strong epistatic loci drive adaptation in the neutrally adapted regime, adaptation in the well-adapted regime is instead driven by weakly epistatic loci.</p><p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="equ114">Equation (116)</xref>, the typical size of a beneficial mutation is <inline-formula><mml:math id="inf732"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Under SSWM, <inline-formula><mml:math id="inf733"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mtext>fix</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As argued previously, since <inline-formula><mml:math id="inf734"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we get <inline-formula><mml:math id="inf735"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and therefore we obtain the two scaling relations<disp-formula id="equ120"><label>(122)</label><mml:math id="m120"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which apply independently of the form of the DVF in the well-adapted regime.</p></sec></boxed-text></app></app-group></back><sub-article article-type="decision-letter" id="sa1"><front-stub><article-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.64740.sa1</article-id><title-group><article-title>Decision letter</article-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="editor"><name><surname>Barkai</surname><given-names>Naama</given-names></name><role>Reviewing Editor</role><aff><institution>Weizmann Institute of Science</institution><country>Israel</country></aff></contrib></contrib-group><contrib-group><contrib contrib-type="reviewer"><name><surname>Petrov</surname><given-names>Dmitri A</given-names></name><role>Reviewer</role><aff><institution>Stanford University</institution><country>United States</country></aff></contrib><contrib contrib-type="reviewer"><name><surname>Crona</surname><given-names>Kristina</given-names> </name><role>Reviewer</role><aff><institution>American University</institution><country>United States</country></aff></contrib><contrib contrib-type="reviewer"><name><surname>Krug</surname><given-names>Joachim</given-names> </name><role>Reviewer</role><aff><institution>University of Cologne</institution><country>Germany</country></aff></contrib></contrib-group></front-stub><body><boxed-text><p>In the interests of transparency, eLife publishes the most substantive revision requests and the accompanying author responses.</p></boxed-text><p>Thank you for submitting your article &quot;Global epistasis emerges from a generic model of a complex trait&quot; for consideration by <italic>eLife</italic>. Your article has been reviewed by 3 peer reviewers, and the evaluation has been overseen by Naama Barkai as the Senior and Reviewing Editor. The following individuals involved in review of your submission have agreed to reveal their identity: Dmitri A Petrov (Reviewer #1); Kristina Crona (Reviewer #2); Joachim Krug (Reviewer #3).</p><p>As you will see below, all reviewers were excited about the quality of the work. Still, to make is accessible to broad audience, the paper would benefit from revising the writing, making it more accessible and precise. Please relate to all comments below.</p><p><italic>Reviewer #1 (Recommendations for the authors):</italic></p><p>I have little to add to the paper and I strongly support its publication.</p><p>Some points that come to mind as a reader:</p><p>1. I would have liked more detailed analysis of the connection between the extreme value theory and the results in the paper.</p><p>2. most experimental evolution is not done in the WMSS regime and indeed the authors suggest that the failure of their predictions in the cases of LTEE might be due to the strong mutation regime of the LTEE. Can more be said about the expected differences in predictions in the strong mutation regime?</p><p>3. I imagine these arguments were made in engineering or catastrophe theory or economics or control theory – is this true? The results feel so generic that they would apply to all complex systems.</p><p>4. What do you results say about the evolution of modularity and how epistasis would evolve?</p><p><italic>Reviewer #2 (Recommendations for the authors):</italic></p><p>The authors should address the fact that diminishing return and increases costs occur for landscapes beyond the type considered. For instance, consider a biallelic 20-locus fitness landscapes associated with stabilizing selection, where genotypes are represented as bit strings and</p><p>wg=1-∣∑gi-10∣20</p><p>A mutation 0 ↦ 1 for a genotype <italic>g</italic> results in the fitness difference</p><p>-120if∑gi≥10120if∑gi&lt;10</p><p>There is no regression effect here. However, by adding random noise to the fitness values and instead assume that wg=1-∣∑gi-10∣20+εg the result is a landscape with both diminishing return and increased costs effects.</p><p>A. Major comments and recurrent issues.</p><p>1. Throughout the paper, the manuscript seems to assume SSWM, and fall back on Gillespie’s theory for small fitness differences between genotypes. For instance the author writes (Page 15):”This analysis suggests that during adaptation, since selection favors mutations with stronger fitness effects on the current background, a mutation that interacts less with previous mutations is more likely to be selected.” However, if two beneficial mutations have strong effects than they are about equally likely to go to fixation.</p><p>2. Every mathematical expression in the main text should have an explanation or a reference (for biology journals that is a reasonable requirement).</p><p>3. References are missing throughout the manuscript. There is not even a reference for”Krawtchouk polynomials”.</p><p>4. The SI is too difficult to read in my view. More detailed argument would help, and also useful references for readers who need to catch up, or review, say Fourier representations or Brownian motion.</p><p>5. Throughout the main text, the manuscript abuses notation for Fourier coefficients (without comments). The expansion on Page 2 assumes that <italic>i &gt; j</italic> for <italic>f<sub>ij</sub> </italic>(and similarly) but later on the authors use <italic>f<sub>ij</sub> </italic>where <italic>i &lt; j</italic> (at first the notation was confusing to me, especially subscripts of the type <italic>i</italic> 6 = <italic>j &gt; k</italic>). At least a comment should be provided, or otherwise the notation should be changed (in fact the manuscript uses different notation in the SI, Page 9).</p><p>6. The following type of expression was unclear to me before I read the SI (on Page 6 and other places in the manuscript):</p><p>∑ <italic>f<sub>j</sub> f<sub>ij</sub></italic>+∑ <italic>f<sub>jk</sub> f<sub>ijk</sub> </italic>+<italic>….</italic></p><p>7. The expression”slope for a double mutant”, and similarly, sounds strange (on Page 9 and other places in the manuscript). Here the fitness of a double mutant is compared to the sum of the fitnesses for the corresponding single mutants (something similar should be stated for clarity).</p><p>8. It would be great with an explicit example (a toy example) of a landscape where global epistasis varies substantially between loci, for some intuitive understanding.</p><p>B. Detailed comments in order of appearance. Most comments below are very minor and concerns notation or wording. The list is not intended to be complete (in fact most comments concern the first few pages and the corresponding part of the SI). Similar minor issues were noted throughout the manuscript, but all of it can be handled swiftly.</p><p>1. Page 1:” However, the mechanistic basis of this global epistasis remains unknown.”</p><p>The manuscript provides statistical rather than mechanistic explanations. (A mechanistic explanation would concern protein folding or something.)</p><p>2. Page 5: “In other words, Equation 2 implies that widespread independent idiosyncratic epistatic interactions lead to the observed patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis.”</p><p>Equation 2 does not imply anything, since such an expansion is possible for any genotype. It would make more sense to simply say:”We argue that wide spread independent idiosyncratic epistatic lead to diminishing return and increasing costs epistasis.” Alternatively, explain the connection to Equation 2 in a more precise way.</p><p>(The heuristic argument on the same page is very nice!)</p><p>3. Page 6, L 103: The definition of v~iis very important and should be clarified. Explain the symbols ∑ <italic>f<sub>j</sub> f<sub>ij</sub></italic>+∑ <italic>f<sub>jk</sub> f<sub>ijk</sub> </italic>+<italic>…</italic> and explain the symbols in the denominator. (It would also be nice with a brief description of how the expression is composed from the regression argument in the SI.)</p><p>4. Page 6, L108:”Note that these results hold for any fitness landscape”. This is not true, as the text also states a few lines later.</p><p>5. Page 6, L 120: Why does the sum scale as l?</p><p>6. Page 8, L 162:”The theory additionally predicts.…” What exactly is the claim? Does the claim concern any double mutant such that the corresponding single mutations are beneficial?</p><p>7. Page 8, L 171:”To test our analytical results” Sounds strange, simulations do not verify analytical results. What exactly is the purpose of the simulation (an illustration of the analytical results perhaps)?</p><p>8. SI: It would be much easier to read the SI if it started with Part A followed by Part I. The reason is that Part I uses <italic>v<sub>i</sub> </italic>that is defined in Part A.</p><p>9. SI: The notation makes the reading more difficult than necessary in a few places. For instance the symbols <italic>y<sub>i</sub> </italic>and <italic>y<sub>i</sub> </italic>are unrelated, whereas <italic>y<sub>i</sub> </italic>and <italic>ξ<sub>i</sub> </italic>are closely related. In addition, more informative notation could save time for a reader, such as <italic>y(x<sub>i</sub> </italic>= 1)<italic>, y(x<sub>i</sub> </italic>= −1) rather than y~iand y^i.</p><p>10. SI, L102: Since v~iis important, it seems reasonable with more explanations of the derivation. Properties of the Fourier expansions are used for cancelling out terms and other simplifications (which is also mentioned), but explicit arguments are not provided.</p><p>11. Why is v~idefined as half of the negative slope? Later on -2v~ishows up in formulas. It would make more sense to define v~ias the slope, which would also make it easier to interpret some formulas in the main text.</p><p><italic>Reviewer #3 (Recommendations for the authors):</italic></p><p>The results for the symmetric model are much simpler and more transparent – the slope of the regression is strictly negative, and has a natural interpretation in terms of variance fraction, whereas the corresponding expression (4) in the directed case looks intimidatingly complicated and obscure. I had a hard time understanding the difference between the two cases and the meaning of the statement that in the symmetric model &quot;the fitness effects of both <italic>x<sub>i</sub></italic> = -1 \to +1 and <italic>x<sub>i</sub></italic> = +1 \to -1 are regressed against the background fitness&quot;. My interpretation of this is now the following:</p><p>To apply the symmetric model to experimental data, along with each mutation also the corresponding reversion would have to be included in the data set. Whereas the selection coefficient of the reversion is simply the negative of that of the mutation, it happens on a different background, and therefore the effect of including it in the regression is not trivial. In practice, including the reversions is of course not possible, and therefore the directed model is needed, although conceptually the symmetric model is more appealing.</p><p>If the authors agree with the above, I suggest that they add some explanation along these lines in the manuscript.</p><p>The following points concern the same issue:</p><p>1. In the application to experimental data, it is of course also not possible (or meaningful) to distinguish between the two directions <italic>x<sub>i</sub></italic> = -1 \to +1 and <italic>x<sub>i</sub></italic> = +1 \to -1. It is therefore a bit worrisome that (3,4) depend on the direction. I assume that in practice the data analysis is anyway restricted to the WE limit where the difference between the two direction does not matter. Is that correct? If so, it should be explicitly stated.</p><p>2. The description of how the model is applied to the data of Johnson et al. (Methods and Materials, lines 524 ff.) is not entirely clear. Why can the variance fraction be estimated from the Pearson correlation between <italic>y<sub>i</sub></italic> and <italic>y</italic>? And what does it mean (in line 534) that the slope of the regression is either 2<italic>v<sub>i</sub></italic> – 1 or 2v~i -1? If the directed model applies, the slope should always be 2v~i – 1. Related to this, in Figure 3a it seems -2v should be replaced by -2v~.</p></body></sub-article><sub-article article-type="reply" id="sa2"><front-stub><article-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.64740.sa2</article-id><title-group><article-title>Author response</article-title></title-group></front-stub><body><disp-quote content-type="editor-comment"><p>Reviewer #1 (Recommendations for the authors):</p><p>I have little to add to the paper and I strongly support its publication.</p><p>Some points that come to mind as a reader:</p><p>1. I would have liked more detailed analysis of the connection between the extreme value theory and the results in the paper.</p></disp-quote><p>We have now included a derivation of Orr’s result and how that relates to the result we obtain (lines 406-414 of RM). Our results are consistent with Orr’s result, and give additional information about how the beneficial DFE and the rate of beneficial mutations change with adaptedness.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>2. most experimental evolution is not done in the WMSS regime and indeed the authors suggest that the failure of their predictions in the cases of LTEE might be due to the strong mutation regime of the LTEE. Can more be said about the expected differences in predictions in the strong mutation regime?</p></disp-quote><p>This is an interesting issue, and we have added a few comments about the dynamics in the strong mutation regime (lines 523-530 in the RM). Future work will be required to say anything more quantitative, because while existing theory has extensively analyzed this regime for a fixed DFE and weak epistasis, there is much less understanding of how strong mutations interact with global epistasis.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>3. I imagine these arguments were made in engineering or catastrophe theory or economics or control theory – is this true? The results feel so generic that they would apply to all complex systems.</p></disp-quote><p>We wondered the same and are unaware of a similar result in other fields. Perhaps the most closely related result is the fluctuation-dissipation theorem from statistical physics, which is also based on the idea that many independent interactions lead to a negative linear feedback and Gaussian fluctuations of proportional magnitudes. We discuss this relationship in the SI (see section on Relationship to fluctuation-dissipation theorem).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>4. What do you results say about the evolution of modularity and how epistasis would evolve?</p></disp-quote><p>The Fourier framework here assumes a fixed landscape and does not capture global architectural changes in the landscape over the course of long-term evolution. We think the evolution of modularity is an interesting question and plan to develop a framework that incorporates both epistasis and a plastic landscape in follow-up work. Our intuition is that modularity is typically favored in changing environments, as expected. However, our results suggest that a fully-connected architecture has on average mutations of large effect due to epistasis, which can speed adaptation in the neutrally-adapted regime. We suspect that a non-modular architecture may be favored in certain cases depending on how much environments differ and change.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>Reviewer #2 (Recommendations for the authors):</p><p>The authors should address the fact that diminishing return and increases costs occur for landscapes beyond the type considered. For instance, consider a biallelic 20-locus fitness landscapes associated with stabilizing selection, where genotypes are represented as bit strings and</p></disp-quote><p>wg=1-∣∑gi-10∣20</p><p>A mutation 0 ↦ 1 for a genotype g results in the fitness difference</p><p>-120if∑gi≥10120if∑gi&lt;10</p><p>There is no regression effect here. However, by adding random noise to the fitness values and instead assume that wg=1-∣∑gi-10∣20+εg the result is a landscape with both diminishing return and increased costs effects.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>A. Major comments and recurrent issues.</p><p>1. Throughout the paper, the manuscript seems to assume SSWM, and fall back on Gillespie’s theory for small fitness differences between genotypes. For instance the author writes (Page 15):”This analysis suggests that during adaptation, since selection favors mutations with stronger fitness effects on the current background, a mutation that interacts less with previous mutations is more likely to be selected.” However, if two beneficial mutations have strong effects than they are about equally likely to go to fixation.</p></disp-quote><p>We have expanded on our SSWM and small fitness differences assumptions, and included the expression for the fixation probability (line 373-377 in RM). We expect the small differences assumption to have minimal effect on the long-term dynamics as the typical beneficial fitness effect in the well-adapted regime is small relative to the fitness (~ 1/2<italic>z</italic><sup>2</sup>, where z is adaptedness and z &gt;&gt; 1 in the well-adapted regime). We have also added a brief comment in the Discussion regarding non-SSWM dynamics.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>2. Every mathematical expression in the main text should have an explanation or a reference (for biology journals that is a reasonable requirement).</p></disp-quote><p>We have added references, referred to the SI or elaborated on the derivation for each of the numbered equations in the main text.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>3. References are missing throughout the manuscript. There is not even a reference for”Krawtchouk polynomials”.</p></disp-quote><p>We have added a reference for Krawtchouk polynomials and elsewhere (line 929).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>4. The SI is too difficult to read in my view. More detailed argument would help, and also useful references for readers who need to catch up, or review, say Fourier representations or Brownian motion.</p></disp-quote><p>We have added references to Brownian motion (lines 845-848) and Fourier representations (lines 732).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>5. Throughout the main text, the manuscript abuses notation for Fourier coefficients (without comments). The expansion on Page 2 assumes that i &gt; j for f<sub>ij</sub> (and similarly) but later on the authors use f<sub>ij</sub> where i &lt; j (at first the notation was confusing to me, especially subscripts of the type i 6 = j &gt; k). At least a comment should be provided, or otherwise the notation should be changed (in fact the manuscript uses different notation in the SI, Page 9).</p></disp-quote><p>We have added a footnote before Equation 4 explaining the notation.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>6. The following type of expression was unclear to me before I read the SI (on Page 6 and other places in the manuscript):</p><p>∑ f<sub>j</sub> f<sub>ij</sub> +∑ f<sub>jk</sub> f<sub>ijk</sub> +….</p></disp-quote><p>The symbols are now explained in a footnote (point 5 above). We have added a sentence to hint where v~ is coming from (line 118-120 of RM).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>7. The expression”slope for a double mutant”, and similarly, sounds strange (on Page 9 and other places in the manuscript). Here the fitness of a double mutant is compared to the sum of the fitnesses for the corresponding single mutants (something similar should be stated for clarity).</p></disp-quote><p>We agree and have modified this phrase for clarity (lines 183-185 and 210-211 of RM).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>8. It would be great with an explicit example (a toy example) of a landscape where global epistasis varies substantially between loci, for some intuitive understanding.</p></disp-quote><p>We note that the CN model is a landscape where global epistasis varies across loci. We have added a sentence to highlight that the CN model serves this purpose (lines 322-324 in RM) As a side note, this was our original motivation for constructing the CN model. Coincidentally, it turned out the CN model satisfied the minimal contingency condition as well.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>B. Detailed comments in order of appearance. Most comments below are very minor and concerns notation or wording. The list is not intended to be complete (in fact most comments concern the first few pages and the corresponding part of the SI). Similar minor issues were noted throughout the manuscript, but all of it can be handled swiftly.</p><p>1. Page 1:” However, the mechanistic basis of this global epistasis remains unknown.”</p><p>The manuscript provides statistical rather than mechanistic explanations. (A mechanistic explanation would concern protein folding or something.)</p></disp-quote><p>We agree and have removed “mechanistic” here and elsewhere.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>2. Page 5:”In other words, Equation 2 implies that widespread independent idiosyncratic epistatic interactions lead to the observed patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis.”</p><p>Equation 2 does not imply anything, since such an expansion is possible for any genotype. It would make more sense to simply say:”We argue that wide spread independent idiosyncratic epistatic lead to diminishing return and increasing costs epistasis.” Alternatively, explain the connection to Equation 2 in a more precise way.</p><p>(The heuristic argument on the same page is very nice!)</p></disp-quote><p>We agree and have removed “Equation 2 implies that”.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>3. Page 6, L 103: The definition of v~i<italic>is very important and should be clarified. Explain the symbols ∑ f<sub>j</sub> f<sub>ij</sub> +∑ f<sub>jk</sub> f<sub>ijk</sub> +… and explain the symbols in the denominator. (It would also be nice with a brief description of how the expression is composed from the regression argument in the SI.)</italic></p></disp-quote><p>The changes are described in Point 6 of major points above.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>4. Page 6, L108:”Note that these results hold for any fitness landscape”. This is not true, as the text also states a few lines later.</p></disp-quote><p>We agree that this statement can confuse readers and have removed it.</p><p><italic>5. Page 6, L 120: Why does the sum scale as</italic> l<italic>?</italic></p><p>The scaling with l follows from a central limit argument, as we are adding up l independent terms with arbitrary signs.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>6. Page 8, L 162:”The theory additionally predicts.…” What exactly is the claim? Does the claim concern any double mutant such that the corresponding single mutations are beneficial?</p></disp-quote><p>We have modified this (see point 7 of major points above).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>7. Page 8, L 171:”To test our analytical results” Sounds strange, simulations do not verify analytical results. What exactly is the purpose of the simulation (an illustration of the analytical results perhaps)?</p></disp-quote><p>We agree and have changed “test” to “illustrate”.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>8. SI: It would be much easier to read the SI if it started with Part A followed by Part I. The reason is that Part I uses v<sub>i</sub> that is defined in Part A.</p></disp-quote><p>We agree that the <italic>v<sub>i</sub></italic> is defined later in part A, but we feel that part A won’t be motivated well if it’s presented first. For this reason, we chose to keep the existing order and have highlighted further that <italic>v<sub>i</sub></italic> will be defined later.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>9. SI: The notation makes the reading more difficult than necessary in a few places. For instance the symbols y<sub>i</sub> and y<sub>i</sub> are unrelated, whereas y<sub>i</sub> and ξ<sub>i</sub> are closely related. In addition, more informative notation could save time for a reader, such as y(x<sub>i</sub> = 1), y(x<sub>i</sub> = −1) rather than y~i<italic>and</italic> y^i.</p></disp-quote><p>We agree and have changed the notation for these quantities.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>10. SI, L102: Since v~i<italic>is important, it seems reasonable with more explanations of the derivation. Properties of the Fourier expansions are used for cancelling out terms and other simplifications (which is also mentioned), but explicit arguments are not provided.</italic></p></disp-quote><p>We have elaborated further on how this calculation is done (line 779 of RM).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>11. Why is v~i<italic>defined as half of the negative slope? Later on</italic> -2v~i<italic>shows up in formulas. It would make more sense to define</italic> v~i<italic>as the slope, which would also make it easier to interpret some formulas in the main text.</italic></p></disp-quote><p><italic>v<sub>i</sub></italic> has an interpretation as the variance fraction and additionally, for the CN model we show that <italic>v<sub>i</sub></italic> is the fraction of pathways involving locus i. For these reasons, we think it is more convenient to refer to <italic>v<sub>i</sub></italic>, which is half the negative slope, rather than the slope. We have added a sentence in the text explaining our choice (lines 170-172 in RM).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>Reviewer #3 (Recommendations for the authors):</p><p>The results for the symmetric model are much simpler and more transparent – the slope of the regression is strictly negative, and has a natural interpretation in terms of variance fraction, whereas the corresponding expression (4) in the directed case looks intimidatingly complicated and obscure. I had a hard time understanding the difference between the two cases and the meaning of the statement that in the symmetric model &quot;the fitness effects of both x<sub>i</sub> = -1 \to +1 and x<sub>i</sub> = +1 \to -1 are regressed against the background fitness&quot;. My interpretation of this is now the following:</p><p>To apply the symmetric model to experimental data, along with each mutation also the corresponding reversion would have to be included in the data set. Whereas the selection coefficient of the reversion is simply the negative of that of the mutation, it happens on a different background, and therefore the effect of including it in the regression is not trivial. In practice, including the reversions is of course not possible, and therefore the directed model is needed, although conceptually the symmetric model is more appealing.</p><p>If the authors agree with the above, I suggest that they add some explanation along these lines in the manuscript.</p></disp-quote><p>We agree with this interpretation and that the symmetric model is conceptually more appealing. We chose to include the directed mutation case as it is closer to how experimental data is often presented in practice (i.e., Figure 1c,d and Equation 1). We modified and added a few sentences (lines 162-165, 174-176 in RM) to make this clearer.</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>The following points concern the same issue:</p><p>1. In the application to experimental data, it is of course also not possible (or meaningful) to distinguish between the two directions x<sub>i</sub> = -1 \to +1 and x<sub>i</sub> = +1 \to -1. It is therefore a bit worrisome that (3,4) depend on the direction. I assume that in practice the data analysis is anyway restricted to the WE limit where the difference between the two direction does not matter. Is that correct? If so, it should be explicitly stated.</p></disp-quote><p>The sign convention indeed shouldn’t matter, irrespective of whether the landscape is in the WE limit. We modified and added a few sentences to make this clear. If the convention is reversed, we can check that the value of v~i remains the same. This is because the odd-order Fourier coefficients also change sign (lines 120-124 of RM).</p><disp-quote content-type="editor-comment"><p>2. The description of how the model is applied to the data of Johnson et al. (Methods and Materials, lines 524 ff.) is not entirely clear. Why can the variance fraction be estimated from the Pearson correlation between y<sub>i</sub> and y? And what does it mean (in line 534) that the slope of the regression is either 2v<sub>i</sub> – 1 or 2v~i <italic>-1? If the directed model applies, the slope should always be</italic> -2v~i <italic>– 1. Related to this, in Figure 3a it seems -2v should be replaced by</italic> -2v~.</p></disp-quote><p>We thank the reviewer for spotting these errors (note that this is a misprint and the values of <italic>v<sub>i</sub></italic> shown in the Figures were computed correctly). The variance fraction is the Pearson correlation when data from both +1 -&gt; -1 and -1 &gt; +1 is included. We have modified to address the three points above (lines 577-579 and 582 of RM).</p></body></sub-article></article>